Помоги проекту - поделись книгой:
Но мало кто сомневался, что даже если бы «Хохдрукспумпе» и довелось пострелять по Лондону, то не привело бы это к крушению Британской империи.
Крепкая надежда в этом отношении возлагалась на большие ракеты Промышленность союзников превосходила по производству самолетов германскую, истребители райха не могли «истреблять» стаи тяжелых бомбардировщиков и те причиняли серьезный ущерб немецким заводам и городам, что навевало некоторым неблагонамеренным гражданам размышления в связи с дававшимися им ранее обещаниями, вроде: «Ни одна бомба никогда не упадет на немецкий город!» Но бомбы падали (рис. 2.50), в связи с чем были поставлены задачи: бойцам молчаливого подвига — выявлять чрезмерно памятливых, а благонамеренным ученым — отомстить!
…Для воспетой языкастыми пропагандистами как «Оружие возмездия № 1» (или Фау-1, от немецкого «фергельтунг») Fi-103, выпускавшихся известной самолетостроительной фирмой «Физеллер» атмосфера служила одновременно и для создания подъемной силы и источником окислителя, необходимого для работы двигателя. В наше время такое оружие называют крылатыми ракетами.
В пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, какой был установлен на Fi-103, воздух, открыв скоростным напором клапаны решетки на входе, поступает в камеру сгорания; одновременно сюда впрыскивается и воспламеняется горючее; в результате расширившиеся газы действуют на клапаны, закрывая их, и истекают через сопло, создавая импульс тяги. После этого давление в камере сгорания понижается, а воздух вновь открывает клапаны, начиная новый цикл работы. Такой двигатель начинает работать на скорости минимум 240 км/час. Для разгона использовалась наклонная пусковая установка с трубой, имеющей продольный паз. Поршень, приводимый в движение за счет газов, образующихся при распаде перекиси водорода, двигался в этой трубе и был снабжен выступом, которым сцеплялся с самолетом-снарядом при разгоне. После начала работы пульсирующего воздушно-реактивного двигателя скорость самолета-снаряда возрастала до 580 км/час. Пусковая установка Fi-103 ориентировалась на цель, а «наводился» снаряд часовым механизмом: когда по расчету времени крылатая ракета оказывалась над целью — она пикировала (рис. 2.51).
Другая ракета — баллистическая А-4 — без топлива весила 4 т, а заправленная —13 т (абсолютный рекорд для того времени) и имела жидкостный ракетный двигатель невиданных ранее размеров и сложности. Сложной была система стабилизации и наведения «агрегата 4», она включала гиростабилизированную платформу с акселерометрами[11]. Вес боеголовок А-4 и Fi-103 был почти одинаковым — около тонны. Среднестатистическая дальность полета Fi-103 составила около 240 км (максимальная зарегистрированная превысила 280 км), в то время как средняя дальность полета ракеты А-4 равнялась 306 км. А-4 нуждалась в топливе, по крайней мере один компонент которого был необычен — жидкий кислород (горючее-то (спирт) было знакомо даже слишком хорошо), a Fi-103 — лишь в обыкновенном бензине.
Через два дня после показательных пусков А-4 на полигоне, Шпеер[12] вызвал Дорнбергера к Гитлеру на аудиенцию, которая состоялась 7 июля 1943 года в Растенбурге (Восточная Пруссия). Гитлеру были показаны фильм о пусках, а также модели ракеты и средств ее транспортировки. Гитлер отдал распоряжение считать Пенемюнде — центр ракетных исследований — самым важным объектом, но в то же время потребовал, чтобы боевая головка ракеты весила не менее 10 т.
Последовала обычная в подобных ситуациях лихорадочная суета разнокалиберных холуев вокруг ракетного центра. Те, чьим призванием было воспламенять души людей на подвиг во имя победы, скоренько переименовали и А-4 в Фау-2. А какие ностальгические воспоминания вызывают у людей моего поколения такие, например сентенции[13]: «Как только фюрер решил оказать поддержку вашему проекту, он перестал быть исключительно заботой управления вооружений сухопутных войск или вообще армии и стал предметом внимания всего германского народа. И я здесь, чтобы защитить вас от саботажа и предательства!» Или: «Она (Фау-2) обязательно должна быть представлена на первом послевоенном съезде партии!»
Большие споры вызвал вопрос: запускать ли ракеты из огромного бункера, к котором, помимо пусковых установок, будет размешена фабрика по производству жидкого кислорода, завод, выпускающий сами ракеты и многое другое или — с полевых позиций. Читатель еще встретит в книге упоминания о бреде гигантомании, опирающемся на романтические воспоминания о читанных в пору безусого детства фантастических романах. В случае с А-4 здравый смысл возобладал (рис. 2.52).
Первые две боевые «Фау-2» были запущены 6 сентября 1944 года не по Лондону, а по Парижу. Одна из них не долетела, другая же разорвалась в городе. Следующие две ракеты были запущены по Лондону с перекрестка шоссе на окраине голландской столицы — началось то, что англичане назвали «Роботблиц». Слово «робот» пояснений не требует, а «блиц» (в буквальном переводе — молния) означало, в данном случае молниеносную войну.
В официальном британском докладе этот первый обстрел Лондона ракетами «Фау-2» описан следующим образом. «Приблизительно в 18 часов 40 минут 8 сентября 1944 года лондонцы, возвращавшиеся домой с работы, были сильно удивлены резким звуком, который очень походил на отдаленные раскаты грома. В 18 часов 43 минуты в Чизуике упала и взорвалась ракета, убив троих и тяжело ранив еще около десяти человек. Через 16 секунд после первой недалеко от Эппинга упала другая ракета, разрушив несколько деревянных домов, но не вызвав никаких жертв. В течение дальнейших десяти дней ракеты продолжали падать с интенсивностью не более двух ракет в день. 17 сентября союзники предприняли воздушно-десантную операцию в низовьях Рейна у Арнема. Германское верховное командование передвинуло ракетные части в восточном направлении, и со следующего дня ракетные удары по Лондону временно прекратились. За этот период по Англии было выпущено 26 ракет, причем 13 из них упали внутри лондонского района обороны».
Тем временем Лондон атаковали и крылатые ракеты Fi-103. Общее их число составило 8070. Из этого количества 7488 были замечены службой наблюдения, и только 2420 достигли района цели. Истребители ПВО расстреливали Фау-1 бортовым оружием и сбивали с курса, «поддевая» своими крыльями крылья «роботов»; сбивала крылатые ракеты и зенитная артиллерия; они разбивались об аэростаты заграждения. ПВО Лондона уничтожила почти 53 % крылатых ракет, и только 32 % упали в городе.
Однако ПВО была бессильна против А-4, чьи боеголовки падали на цели со скоростью, существенно превышающей звуковую. Всего по Лондону было запущено чуть более 1300 ракет А-4, из них в пределах лондонского района ПВО упали 518. Важной целью являлся и Антверпен: через этот крупный порт шло снабжение союзных войск, высадившихся в Европе. Чтобы прервать этот поток, было запущено 2100 ракет — с примерно тем же процентом попаданий. А ведь это были цели, удобнее которых сложно представить: неподвижные, огромные мегаполисы с точно известными координатами. Груз боеголовок, обрушившихся на эти города за всю войну, не превзошел вес бомб, сбрасывавшихся (и с гораздо большей точностью!) на немецкий город в ходе лишь одной крупной бомбардировочной операции союзников (рис. 2.53).
Так что «возмездие» было, как принято говорить в наше время, неадекватным, не будоражащим радостью созерцания выбитого из рук врага оружия. В конце войны удары союзной авиации стали важным оперативно-стратегическим фактором, а борьба с бомбардировочными силами противника была невозможна без эффективных средств ПВО. Управляемые зенитные ракеты казались германским военным и нацистским бонзам панацеей: они не требовали времени и бензина для обучения пилотов, а стоимость ракеты была куда ниже стоимости истребителя, да к тому же летящий на строй бомбардировщиков «робот» никогда не отворачивал под их сосредоточенным огнем.
Была изучена уязвимость нашедшего широкое применение на Европейском театре военных действий бомбардировщика ВВС армии США — Б-17 — по отношению к основным поражающим факторам (как сказали бы сейчас — сформулирована система исходных данных).
Боевое применение зенитных управляемых ракет (ЗУР) «Райнтохтер» (рис. 2.54) состоялось в 1945 году. Выпускались три модификации этой ракеты, все — с радиокомандным управлением, различавшиеся типами двигателей и стартовыми весами (от 1,5 до 1,7 т). По бомбардировщикам союзников были запущены 82 ракеты модификации R1, из них 51 поразила цель[14]. Менее впечатляющим было боевое применение модификации R3: из 88 ЗУР цель поразили лишь 8.
Успешное боевое применение ЗУР «Райнтохтер» стало причиной эйфории, проявившейся, в частности, в том, что даже еще не испытанная ЗУР — Hs297 «Шметтерлинг» (рис. 2.55) — была поспешно отнесена ведомством доктора Геббельса к почетно-пропагандистской категории «Фергельтунгсваффе» и наречена Фау-3. Концепция управлявшейся радиокомандами «Шметтерлинг» предусматривала многоцелевое применение — ракета была малогабаритной (стартовый вес — 0,5 т) и могла запускаться с самолета в воздушном бою. Разрабатывалось сразу несколько модификаций, но ни одна «не успела»: в ходе летных испытаний лишь менее 30 % пусков были удачными. Планер ракеты не был достаточно отработан и испытывавшие эту ЗУР после войны советские специалисты отмечали ее неустойчивый полет.
Только для воздушного боя предназначались управляемые радиокомандами ракеты «Лойхткэфер» (рис. 2.56). Новшеством в них являлись крылья большой стреловидности и конструкция интерцепторов в органах управления. К концу войны было произведено лишь несколько экспериментальных образцов.
И для ЗУР малой дальности «Фойерлилие» (рис. 2.57) были характерны проблемы с планером, несмотря на то, что ее разработка началась еще в 1942 году и планер подробно исследовался в аэродинамической трубе. Модификации этой управляемой радиокомандами ракеты значительно отличались размерами и весами: от 130 кг до 500 кг: имелось в виду ее многоцелевое применение с носителей различных типов. Однако проблемы устойчивости полета этой ЗУР с необычными для своего времени крыльями большой стреловидности так и не удалось преодолеть до конца войны.
Подобный отрицательный опыт был принят во внимание при разработке ЗУР «Энциан», планер которой был уменьшенной копией прошедшего достаточно обстоятельные исследования аэродинамики и освоенного люфтшутцдинст (службой ПВО, организационно входившей в состав ВВС) ракетного самолета-перехватчика Me-163. Более того, пусковые направляющие «Энциана» монтировались на лафете хорошо знакомого войскам 88-мм зенитного орудия (рис. 2.58). Стартовый вес ЗУР — около 2 т, в том числе 0,5 т весила боевая часть. Управление — радиокомандное, но в некоторых модификациях предусматривалось и самонаведение на конечном участке траектории. Топливом для жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) служили азотная кислота и керосин. Начало серийного производства «Энциана» совпало с окончанием войны.
Взгляда на фото моделей для аэродинамических исследований достаточно, чтобы узнать зенитные ракеты «Вассерфаль» (рис. 2.59). При создании этой ЗУР с ЖРД (рис. 2.60) — многое было взято конструкторами из задела, накопленного при создании А-4. Сравнительно тяжелая (3,5 т), «Вассерфаль» стартовала из вертикального положения, что позволяло сэкономить время, необходимое на ориентации пусковой установки (сейчас так стартуют наша С-300 и американский «Стэндард»), Для наведения этой ЗУР использовались две РЛС: одна сопровождала цель, а в пределах остронаправленного луча другой происходил полет ЗУР На конечном участке траектории было предусмотрено самонаведение на инфракрасное излучение цели. Несмотря на широкое заимствование уже апробированных решений, «Вассерфаль» оказалась довольно сложной в производстве и применении. Последние залпы Второй мировой прозвучали раньше, чем ее успели «довести».
…Но истинно сказано: «Паны дерутся — у холопов чубы трещат». Не остановили ЗУР потоки четырехмоторных гигантов, сыпавших на Германию бомбы, а в ответ на экзерсисы с реактивным движением, стали сбрасывать они на головы хоть и городских, но — холопов такие «учреждения» (рис. 2.61), которые превращали в крошево крупное каменное здание, а заодно — выметали ударной волной несколько стоявших рядом. И морщась, как от зубной боли, улавливали, со страшным напряжением ума, после многоступенчато упрощенных пояснений, засевшие в глубоких бункерах, с тучами телефонов под руками: нет смысла долбить бомбами город до основания, а лучше слегка подразрушить его крыши и пожарную систему небольшими фугасками, а потом — засеять зажигалками из кассет. И поднимались над городами, особенно — японскими, где дерева много, восходящие протоки воздуха от пожаров, закручивались те потоки в поле тяжести в огненные смерчи (рис. 2.62), которые сжирали вначале все, что могло гореть, а потом и то, что обычно слыло за субстанции негорючие.
А под занавес — содрогнулись два японских города от невиданной и неслыханной мощи ядерных взрывов…
3. БАХ-ПО ЯДРАМ…
Осуществить описанное в заголовке можно, лишь предварительно ядра «пощупав». Приобрести соответствующие знания пытались еще в довоенной Германии, в чем автор убедился в 70-х годах, выполняя в Московском инженерно-физическом институте лабораторную работу по спектрометрии бета-частиц. На полузакрашенном шильдике весьма древнего вида установки можно было разобрать: «Kaiser Wilhelm Institut»[15].
Правда, в Германии ядерные исследования до практического применения не довели: разразилось принципиальное выяснение, какая это физика — арийская или не очень. Приоритеты устанавливались с привлечением данных о расовых признаках претендентов на открытия.
О тех разборках, как и об аналогичных — касающихся соответствия тех же разделов физики положениям марксистко-ленинской философии (науки наук!) автор знает только из литературы. В Германии коллизию довели до логического завершения, а вот последователи вечно живого, всепобеждающего учения — дали слабину. Если бы упомянутая слабина допущена не была, то наверняка к отщепенцам, посмевшим замахнуться на самое святое, были бы приняты куда более радикальные меры, чем высылка (так, проявив слюнявый либерализм, поступили в райхе, именовавшем себя Тысячелетним, но фиглярствовавшем на исторической арене лишь дюжину лет).
Стечение обстоятельств привело к тому, что ядерные исследования стали процветать и получили практическое воплощение в заокеанской стране, где благожеланная властная вертикаль не была выстроена монолитно, где бескомпромиссно не формулировалась национальная идея и не ставились остро идеологические вопросы. Не последний по значению вклад в исследования урана — элемента, изменившего лицо цивилизации в XX веке — внесли те самые, с «дефектиками», изгнанники…
…Содержание урана в рудах невелико, но сами руды выглядят очень красиво (рис. 3.1). Добываемый из них уран — белый на свежем изломе металл, который на воздухе сначала покрывается налетом цвета спелой сливы, а затем и вовсе чернеет (рис. 3.2). Ядро урана содержит 92 положительно заряженных протона как и все тяжелые металлы, он вреден для человека. К тому же, уран распадается (правда очень медленно), испуская альфа — частицы (ядра гелия), но, если залить его кусок прозрачным компаундом, получается вполне безопасный сувенир. Кроме протонов, ядро урана включает и нейтроны, число которых может быть различным: в природном уране большинство ядер содержат по 146 нейтронов и лишь 0,7 % — по 143 (ядра с другим числом нейтронов в естественных условиях чрезвычайно редки). Ядра с равными количествами протонов, но различными — нейтронов, называют изотопами. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами нельзя, но различие в массах (для «уранов» весьма незначительное: 235 и 238 единиц) — позволяет сделать это физическими методами. Чтобы объяснить, как это происходит, вспомним о запачканных штанах (или юбке). Попытка отмыть бензином или другим растворителем жирное пятно часто приводит к тому, что после высыхания растворителя на светлой материи остается отчетливо различимый круг (а то — и несколько, концентрических).
Все наверняка слышали о броуновском, хаотическом движении молекул, а многие — о том, что, при данной температуре, скорость движения молекулы тем выше, чем меньше се масса. Представим, что две емкости разделены перегородкой. В одной части находится чистый растворитель, а в другой — с примесями двух различных по молекулярным весам «загрязнений». Пока в «грязной» половине движение ограничено со всех сторон, обе компоненты равномерно перемешаны, поскольку их молекулы долго совершали хаотические броски, хотя и с разными скоростями. Если перегородку убрать, то «загрязнения» начнут переходить на «чистую половину». За достаточное время легкая компонента сделает больше «шажков» в «чистом» направлении, потому что скорость ее между столкновениями больше, за то же время она поучаствует в большем числе соударений и среди них — тех, что сообщат ей скорость в «чистую» сторону.
Таким образом, «чистая» половина вначале окажется обогащенной легкой компонентой — до тех нор, пока молекулы легкой компоненты не «упрутся» в границы сосуда, бывшего ранее «чистым», а тяжелые молекулы не догонят легкие у его стенки. Если растворитель испаряется достаточно интенсивно, он работает, но фотофиниш фиксирует результат гонок молекул. Возьмите лупу и рассмотрите на ваших изгаженных штанах (надеюсь, они — белые, возможно, привезенные из Рио-де-Жанейро) результат этого драматического забега. В них произошло вот что: растворитель, благодаря капиллярным явлениям просачивался по тонким зазорам между ворсинками материи. Растворенные загрязнения вынуждены были пройти довольно большие расстояния по таким узкостям и легкие компоненты при этом опередили тяжелые. Потом испарение растворителя привело к консервации распределения. Это явление называется хроматографией. Его можно наблюдать и на фильтровальной бумаге, сначала капнув растворитель с загрязнениями, а потом — добавляя по каплям в центр пятна чистый растворитель (рис. 3.3). Когда растворитель высохнет, можно, по концентрическим окружностям, определяющим границы разделенных зон. разрезать фильтровальную бумагу, став обладателем «обогащенных» различными компонентами кусочков.
В процессе разделения «уранов» есть много общего с хроматографией.
Сначала их природную смесь переводят в газообразное состояние, соединяя с фтором, потом — прокачивают через бесчисленные пористые перегородки, так что молекулы гексафторида более легкого изотопа постепенно отделяются от тяжелых. Потом обогащенный легким изотопом газ собирают и вновь обращают в металл. Разделение идет весьма медленно, потому что массы, а значит, и скорости изотопов различаются незначительно.
Заводы, где из природного урана извлекают легкий изотоп, стоят многие миллиарды долларов и занимают площади в десятки квадратных километров. На расходы идут потому, что, хотя «ураны» неотличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных «характеров».
Процесс деления U238 — «платный»: чтобы он начался, прилетающий извне нейтрон должен «принести» с собой энергию — МэВ или более. A U235 «бескорыстен»: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре. При попадании нейтрона в способное к делению ядро, образуется неустойчивый «компаунд», но очень быстро (через 10–23—10-22 секунды) такое ядро разваливается на два осколка, неравных по массе и испускающих новые нейтроны (по 2–3 в каждом акте деления, процесс этот вероятностный), так что со временем может «размножаться» и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что «жадноватый» U238 не «желает» делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше МэВа. Кинетическая энергия частиц-продуктов деления на много порядков превышает выделение энергии при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.
Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская излучения самых различных видов, в том числе — те же нейтроны. Короткоживущими осколками нейтроны испускаются спустя 10-6—10-14 секунды после развала компаунд-ядра и такие нейтроны называют мгновенными. Но некоторые нейтроны испускаются через вполне ощутимое человеком время после деления (до десятков секунд). Такие нейтроны называют запаздывающими и, хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее процента), роль в работе ядерных установок — важнейшая.
Свободные нейтроны активно взаимодействуют с любыми ядрами, причем весьма разнообразно. Вероятность взаимодействия описывают «сечениями», измеряемыми «барнами» (барн равен 10-24 см2), уподобляя то или иное ядро мишени соответствующей площади для летящего нейтрона. Одно и то же ядро может представлять различной площади мишень для разных сценариев взаимодействия: например отскок нейтрона от ядра может быть намного более вероятен, чем его захват ядром с испусканием гамма кванта. Таких сценариев очень много и по совокупности информации о них можно «узнать» то или иное ядро так же точно, как по отпечаткам пальцев — человека.
Образованные делением частицы при многочисленных столкновениях с окружающими атомами «отдают» им свою энергию, повышая таким образом температуру окружающего вещества. После того, как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а может быть и постоянной. Параметры сборки, в которой число делений в единицу времени не растет, но и не уменьшается, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов, находящихся в ней в данный момент времени. В зависимости от того, больше или меньше это число, больше или меньше и мощность тепловыделения. Тепловую мощность увеличивают, либо «подкачивая» в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны «поставляют» все более многочисленные «поколения» делящихся ядер). Например, если надо повысить число нейтронов (а значит, и тепловую мощность) реактора, то его выводят на такой режим, что каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее многочисленнее предыдущего, но благодаря запаздывающим нейтронам — критическое состояние едва заметно переходят. Тогда реактор не «идет в разгон» а набирает мощность достаточно медленно — так, что прирост ее можно в нужный момент остановить. Это делают, вводя в сборку поглотители нейтронов (например — стержни, содержащие кадмий или бор), что уменьшает плотность нейтронов в сборке, а значит — и выделяющуюся в ней тепловую мощность.
Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Ясно, что чем ближе к поверхности «рожден» нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно (подумайте, кто из суетящейся у обрыва толпы скорее других свалится в пропасть!) Поэтому формой сборки, сберегающей нейтроны в наибольшей мере, является шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар без полостей внутри сделанный из 94 %-ного U235 становится критичным при массе в 49 кг, и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана — цилиндр с длиной равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг.
Поверхность уменьшается и при возрастании плотности (критичность обратно пропорциональна ее квадрату). Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, тем не менее, может приводить сборку в критическое состояние.
И, наконец, о роли энергии нейтронов. В неделящемся веществе, «отскакивая» от ядер, нейтроны передают им часть своей энергии, тем большую, чем «легче» (ближе им по массе) ядра. Чем в большем числе столкновений поучаствовали нейтроны, тем более они «замедляются», и, наконец, приходят в тепловое равновесие с окружающим веществом («термализуются»). Скорость «тепловых» нейтронов — 2200 м/с, что соответствует энергии 0,025 эВ. Время, за которое нейтроны термализуются ощутимо человеком: это миллисекунды (но будем помнить, что это — время снижения быстрыми нейтронами своей энергии на много порядков, до «тепловых» значений; в разы же они могут снизить свою энергию за небольшое число столкновений, что займет доли пикосекунды). При замедлении нейтроны могут ускользнуть из замедлителя, захватываются его ядрами, но со снижением их энергии вступать в реакции возрастает очень существенно, поэтому нейтроны, которые «не потерялись», с лихвой компенсируют убыль численности.
Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые вернутся в шар («отразятся») и, потеряв свою энергию, с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления (рис. 3.4). В процессе обмена нейтронами между замедлителем и делящимся веществом установится усредненная, пониженная в сравнении с той, с которой они рождаются, энергия нейтронов, вызывающих деление. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то, можно сэкономить 20 кг U235 и все равно достичь критического состояния сборки. Но за такую экономию придется заплатить временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение «затягивается». Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития в ней цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах.
В предельном случае, когда критичность достигается только на совсем уж тепловых, например — в растворе солей урана в воде[16], масса сборок — сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся в объеме пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества и цепная реакция прекращается. Затем пузырьки покидают жидкость и повторяется вспышка делений. Можно, конечно, закупорить сосуд и тогда пар высокого давления разорвет его. Это будет типичный тепловой взрыв, лишенный всех «ядерных» признаков, о которых речь пойдет далее, но, тем не менее — опасный.
Вот как описывается в книге Р. Юнга «Ярче тысячи солнц» закончившийся трагично эксперимент доктора Слотина.
«Задача его состояла в том, чтобы достигнуть, но не превзойти критической точки самого начала цепной реакции, которую он должен был немедленно прерывать, раздвигая полушария. Если бы он «проскочил» критическую точку или недостаточно быстро прервал начавшуюся реакцию в самом ее начале, то масса превзошла бы критическую величину и последовал бы ядерный взрыв…
…Неожиданно его отвертка соскользнула. Полушария сошлись слишком близко, и масса стала критичной. Мгновенно все помещение наполнилось ослепительным блеском. Слотин вместо того, чтобы укрыться и, возможно, спасти себя, рванул голыми руками оба полушария в разные стороны и прервал тем самым цепную реакцию.»
Надеюсь, читателю очевидны явные «ляпы»: оказывается, человек в состоянии движениями рук предотвратить ядерный взрыв, а уж, если таковой неминуем — может «укрыться» (уж не спрятавшись ли под письменный стол?).
В издании для профессионалов — книге «Критические параметры систем с делящимися веществами и ядерная безопасность» та же авария описана без безграмотного пафоса.
«Лос-Аламос, 1946 г. Случай неконтролируемой вспышки цепной реакции произошел на сборке, состоящей из плутониевой сферы[17], облицованной никелем толщиной 0,13 мм (плотность плутония равнялась 15,7 г/см3, общий вес — 6,2 кг), окружаемой бериллиевыми полуоболочками. Экспериментатор, регулируя зазор между полуоболочками с помощью отвертки, неожиданно выронил ее. Бериллиевые полуоболочки сомкнулись, что явилось причиной внезапной вспышки цепной реакции, в результате которой в сборке произошло 3х1015 делений. Физик, проводивший эксперимент, умер через девять дней в результате переоблучения дозой 900 рентген».
Оружейник-ядерщик, мельком взглянув на характеристики «сферы» скажет, не раздумывая: сборка изготовлена для заряда, где одно поколение быстрых нейтронов сменяется другим, более многочисленным, за неимоверно короткое, неуловимое живыми существами время. Не будучи окружена замедлителем, «сфера» была подкритичной, безопасной. То, что авария носила «невзрывной» характер, объясняется только тем, что процесс, начавшись либо с нейтрона, рожденного спонтанным делением плутония, либо со случайно попавшего в сборку «фонового[18]» нейтрона, далее происходил на частицах, каждое поколение которых долго замедлялось до тепловых скоростей. Деление прекратилось, когда сборка раскалилась, а значит — расширилась. Если физик затем действительно начал действовать руками, то это предотвратило два неприятных последствия: другую вспышку делений после остывания сборки и загрязнение всего окружающего плутонием, который, раскалившись, мог и сбросить с себя защитную оболочку из никеля[19].
Вероятно, целью опыта являлось выяснение, безопасно ли монтировать сборку в заряд, окружая при этом замедляющим нейтроны бериллием. Пошли на жутковатый эксперимент потому, что и в те времена, и сейчас далеко не все, что необходимо для реализации новых идей, поддается расчету: значения многих важных величин неизвестны. Упоминание «ослепительного блеска» следует отнести на счет эмоциональной реакции свидетелей аварии. На самом деле, это было неяркое фиолетовое свечение ионизованного гамма квантами воздуха (обычно в такой ситуации ощущается и сильный запах озона).
…Нейтроны играют настолько важную роль в ядерных реакциях и их практическом применении, что очевидна необходимость закрепить у читателя представления о динамике их замедления и взаимодействии с другими ядрами. Ясно, что лучше сделать это, не «пережевывая» вновь уже изложенное. К сожалению, эти частицы не вполне безопасны для человека, поэтому нельзя рекомендовать любителю изучить их свойства на установке вроде той, которая формировала кумулятивную струю из воды. Остается надежда, что делу поможет описание опыта, проведенного в годы работы молодым специалистом во НИИ авиационной автоматики. Работал автор с ускорительным источником — нейтронным генератором. Далее опишу его поподробнее, а пока важно лишь то, что формировал этот генератор импульсный нейтронный поток микросекундной длительности.
…Идея пришла неожиданно. Сопоставив длительность формируемого нейтронного импульса (менее микросекунды) и время замедления нейтронов (миллисекунды), автор понял, что, если окружить генератор замедлителем и сформировать импульс, то из замедлителя сначала выйдут нейтроны, испытавшие малое число столкновений, а значит — довольно высокоэнергетичные, потом — «потолкавшиеся подольше», подрастерявшие свою энергию, и уж затем — тепловые. Если для визуализации изображения применить электронно-оптический преобразователь (ЭОП), то, запуская его с определенной задержкой по отношению к началу нейтронного импульса, можно менять и энергию частиц, используемых для контроля. Это сулило прямо-таки революционное расширение возможностей нейтронографии: определив ход зависимостей от энергии нейтронов яркости свечения изображений различных деталей исследуемого объекта, можно идентифицировать вещество, из которого изготовлена деталь, потому что яркость пропорциональна сечению взаимодействия нейтронов (рис. 3.5), которое для каждого элемента весьма индивидуально зависит от их энергии. Причем, появлялась возможность проявления деталей из легких элементов — задача, непосильная методу рентгеновского контроля!
После выяснения, в каких подразделениях института есть подходящее оборудование, пришлось обратился в лабораторию, занимавшуюся регистрацией гамма-излучений ядерных взрывов. Подобные подразделения считались вспомогательными, не были избалованы вниманием начальства и их руководители стремились наладить прочные связи с подразделениями «основной тематики». «Нейтронная» тематика считалась основной, поэтому меня радушно приняли и рассказали о достижениях, в частности — о системе спектроскопии гамма квантов, показали огромные монокристаллы йодида цезия в специальных контейнерах и фотоэлектронные умножители, регистрирующие вспышки в кристаллах, порожденные гамма квантами. Подобное было памятно еще по институтским лабораторным работам, но здесь уровень аппаратуры был куда более высок, а контейнеры с самыми большими монокристаллами можно было поднять лишь обеими руками. Я вспомнил о существовании таких монокристаллов десятилетие спустя, а тогда стал задавать вопросы об ЭОПах. Оказалось, что и они имелись.
Настал и мой черед рассказать о задаче. Тут лица собеседников вытянулись от разочарования: тематика хотя и была «нейтронной», но не оружейной, а значит — не главной. Аппаратуру дать взаймы отказались, но компромисс был достигнут: разрешили, чтобы с ней работал их техник, «а уж вы с ним сами договоритесь». «Договаривались» в таких ситуациях при помощи спирта. Техник оказался веселым и знающим малым, наладив аппаратуру и получив, что причиталось, он заходил потом лишь изредка, проверяя только наличие всех приборов.
Технологические возможности института позволили изготовить конвертер (преобразователь нейтронного излучения в световое), смешав бор, сульфид цинка и «связав» смесь полиэтиленом. При захвате нейтронов ядрами бора получались альфа-частицы, которые и вызывали вспышки света в сульфиде цинка.
Вскоре начались плановые испытания генераторов на полный ресурс. «Гоняя» генераторы, попутно облучали патрон и не минуту, не час, а почти неделю! Результаты не радовали: на экране виделись лишь отдельные вспышки. Чтобы не подвергать риску быть «экспроприированным» фотоаппарат, срочно изготовили из фанеры кассету, прижимавшую к экрану кусок аэрофотопленки. И результат был получен: пленки, экспонированные при задержке запуска ЭОПа и без нее заметно отличались, что свидетельствовало об изменении средней энергии нейтронов, на которых велся контроль (рис. 3.6)! Низкоэнергетичные нейтроны позволили обнаружить и порох, что было недоступно для нейтронов быстрых, а уж тем более — для рентгена. Неважно, что изображения были получены после недельного коллекционирования отдельных вспышек! Неважно, что компоненты конвертера оказались смешанными явно неравномерно! Главное — работал принцип!. А если так, то, применив более мощный источник нейтронов (например — импульсный реактор), можно было, лишь «просветив» предмет снаружи, узнать не только его устройство, но и изотопный состав любой его детали по выбору: достаточно было укрепить на ее изображении фотоэлемент и получить зависимость его показаний от величины задержки запуска ЭОПа (а значит — и от энергий нейтронов). Ясно, что тут требовались сложные расчеты эффективности конвертера для нейтронов разных энергий, экранирования одного материала другим, по все эго было под силу ЭВМ, только входившим тогда в обиход научных учреждений…
Поделиться книгой: