Итак, в августе 1945го года над городами Японии прогремело 2 ядерных взрыва. Ядерные бомбы стали реальностью. Они работали, и еще как, но были пока что чудовищами немалых габаритов и за 4 тонны весом
Что же произошло, что эти монстры превратились в компактные и изящные изделия способные порой уместиться в маленькую и аэродинамичную авиабомбу для сверхзвукового истребителя-бомбардировщика
Или даже в артиллерийский снаряд
Попробуем разобраться в этом вопросе используя англоязычные и отечественные рассекреченные материалы по истории ядерного оружия.
Оставим пока за скобками урановую пушечную бомбу "Малыш", в которой снарядом из оружейного урана стреляют по мишени из такого же материала. Это достаточно тупиковый дизайн не имеющий больших резервов миниатюризации и могущий представлять интерес разве что для бункеробойных бомб, способных проникать под землю, так как это наиболее прочная и дубовая конструкция ядерного заряда из всех возможных.
Наибольшее развитие получили так называемые имплозивные схемы, прародителем которых была сброшенная на Нагасаки бомба "Толстяк". Она представляла из себя слоеную шарообразную конструкцию, рассмотрим ее на рисунке
Сам заряд плутония-239, который и взрывается в бомбе, обозначен на схеме красным цветом. Он находится в самом центре и имеет диаметр, согласно рассекреченным англоязычным источникам, всего 9,2 сантиметра. В самом центре плутониевого ядра расположен еще небольшой шарик нейтронного инициатора, который поставляет нейтроны для начала реакции. Собственно, реакция запустилась бы и без этого инициатора, но не так быстро, как хотелось бы, и не в нужный момент, когда ядро плутония сжато максимально.
Далее темно-серым цветом обозначен окружающий ядро плутония отражатель нейтронов из обычного природного урана. Этот уран в бомбе не делится, но отражает нейтроны обратно в делящееся ядро плутония, а так же играет роль массивной оболочки, не дающей делящемуся ядру быстро разлететься и тем самым увеличивает длительность протекания цепной ядерной реакции и ее суммарное энерговыделение. Внешний диаметр этой урановой оболочки составляет 22,2 сантиметра.
Далее светло-серым цветом обозначен алюминиевый "пушер". Он нужен чтоб ударная волна, из взрывчатки оптимально вошла внутрь металлического ядра конструкции, а не отразилась от него. Внешний диаметр алюминиевого "пушера" - 47 сантиметров. Далее идет хитрая и толстая конструкция из взрывчатки. Темно-коричневым цветом обозначена основная взрывчатка, представляющая собой сплав тротила и гесогена, светло-коричневым - взрывные линзы из баратола, взрывчатки с меньшей скоростью детонации, чем основная. Они нужны чтоб расходящуся от детонаторов(это желтые кружки на схеме) ударную волну превратить в аккуратную сферическую, сходящуюся к центру конструкции. Внешний диаметр этой взрывной схемы - около 1,5 метров.
Нетрудно увидеть, что основой резерв уменьшения габаритов ядерного взрывного устройства - это уменьшение размеров обжимающей ядро сборки из взрывчатки. Так же изрядные габариты имеет алюминиевый пушер и отражатель нейтронов. Все это неплохо бы уменьшить или совсем убрать. А вот уменьшение количества собственно ядерного делящегося материала существенного уменьшения габаритов не дает. Правда оно здорово снижает стоимость заряда, так как почти вся его стоимость сосредоточена именно в этом ядре. Остальное, на фоне стоимости делящегося ядерного материала, - почти копейки.
Итак, что же делали ученые чтобы уменьшить габариты ядерного заряда?
Во-первых попробовали увеличить количество детонаторов на поверхности шарообразного заряда. Если на первой модификации Толстяка детонаторов было 32, то на последней - аж 132. Это дало более равномерное зарождение ударной волны и позволило уменьшить габариты фокусирующих взрывных линз. Толстый слой взрывчатки за счет этого несколько похудел
Во-вторых придумали использовать в линзах вместо баратола воздух или пенопласт, так называемые воздушные линзы. В них волна детонации распространяется еще медленнее, чем в баратоле.
Третье, одно из самых важных усовершенствований, - это так называемое "левитирующее ядро":
Обжимаемое ядро плутония придумали подвесить на спицах внутри сферической полой металлической оболочки. Между этой внешней оболочкой и ядром имелся вакуумированный промежуток.
Внешняя металлическая оболочка металась на подвешенное внутри ядро и с разгону ударяла по нему. Не слишком понятно зачем это сделано? Все очень легко понять с помощью простой аналогии. Попробуем забить гвоздь молотком двумя способами. Первый - упрем молоток в гвоздь и попробуем вдавить гвоздь в доску. Это то, что было на "Толстяке". Второй вариант - размахнемся молотком и ударим им по гвоздю. Это как раз то, что происходит в схеме "левитирующее ядро" .
Сразу отпала необходимость в алюминиевом пушере, и очень резко уменьшилось необходимое количество взрывчатки. Так же, за счет намного лучшего сжатия, можно уже было сэкономить и на урановой инертной отражающей оболочке.
Этот путь конструкторы атомных бомб прошли буквально за считанные годы и на РДС-4 принятой на вооружение в 1954ом году, если верить рассекреченным и опубликованным у нас материалам советского атомного проекта, все эти основные идеи были уже внедрены
Следующий важный шаг связан с изобретением внешнего нейтронного инициатора: устройства, которое преобразует электрический импульс в инициирующий ядерный взрыв импульсный поток нейтронов. Во-первых это позволило точнее управлять моментом начала ядерной реакции, а во вторых нейтронный инициатор можно было в таком случае убрать из ядра и разместить в любом удобном месте бомбы. А в центр ядра вместо инициатора поместить так называемый "бустер": капсулу с тритием или дейтерий-тритиевой смесью, которая оказавшись в центре ядерного взрыва даст большое число нейтронов, которые в свою очередь значительно подстегнут протекание цепной ядерной реакции. Это дало очередной виток миниатюризации зарядов, так как ядерный взрыв успевал произойти за меньшее время и требуемая масса удерживающих внешних инертных оболочек, равно как и потребная эффективность нейтронных отражателей резко уменьшились.
Что было дальше у нас в части развития зарядов деления, мы не знаем. Эти более поздние материалы у нас засекречены. Американцы же утверждают, что они перешли на дизайн "Swan", который обладает очень малым калибром и требует всего два детонатора
Заряд представляет из себя что-то вроде "дыни", подрываемой с двух противоположных концов . "Кожура" состоит из взрывчатки, по бокам стоят воздушные линзы, превращающие ударную волну в сферическую, далее эта сферическая ударная волна детонирует внутренний шарообразный заряд, который обжимает ядро плутония с тритий-дейтериевым бустером внутри.
Дальнейшее развитие покрыто мраком и у американцев, так что на этом придется закончить.