Второе Основание (NUC20, CIV54)

Если читатели блога в своё время ознакомились с циклом уроженца города Киева, писателя-фантаста Исаака Озимова "Основание", то они, конечно, помнят историю о поисках Второго Основания.
Для тех же, кто пока не прочитал данное произведение Айзека Азимова — краткий конспект. Без спойлеров, понятное дело.



Во время крушения Старой Империи её учёные, предвидя скорый крах цивилизации, основывают на краю Галактики "спасательную шлюпку", которая должна сохранить технологии и знания для людей будущего. Шлюпку называют "Основание" и размещают на захолустной планете на краю Галактики, лишённой каких-либо значимых природных ресурсов. Однако, именно такое уединённое и безнадёжное положение заставляет жителей Основания сохранять и умножать технологии Империи, которые позволяют им выжить на их бедной планетке. Империя рушится и Основание понемногу начинает собирать планеты Старой Империи в кучу. Однако, со времён Старой Империи остались обрывки записей, что "где-то на другом конце Галактики находится Второе Основание". Вся третья книга цикла Азимова посвящена именно безуспешным поискам Второго Основания, которое производят все главные герои. На роль "другого конца Галактики" претендуют самые разные планеты, но в итоге все поиски заканчиваются ничем.
И главная причина, по которой никакой член Первого Основания не может обнаружить истинное местоположение Второго — это иной склад ума. Ведь Первое Основание жило и развивалось под руководством физических учёных, а не психологов. Ну а физики отнюдь не привыкли видеть всё с социальной точки зрения и просто искали Второе Основание совсем не там, где оно располагалось по факту.

Похожая проблема есть у нас и с термоядерной энергией.


Я не открою для многих "физиков" великой тайны, если скажу, что проблема термоядерной энергии — это проблема социальная.
Ведь и в самом деле — вопрос термоядерной реакции и её принципиальной осуществимости не лежит в плоскости "доказано / не доказано". И доказано, и показано, и взорвано:



Эта фотография примечательна двумя моментами. Во-первых — это фотография испытания "Траки", проведенного в ходе проекта “Доминик”. Проект "Доминик" — это последняя серия атмосферных испытаний ядерного оружия, состоявшая из 105 взрывов, проведенная США.Случилось это потому, что 5 августа 1963 был подписан договор между СССР, США и Великобританией о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой.
Второй примечательный момент — это мощность этого термоядерного заряда. Она составила всего 210 килотонн тротилового эквивалента. Дата подрыва бомбы — 9 июня 1962 года.

В нашем представлении термоядерные заряды обычно ассоциируются с громадными мощностями, заданными гигантами вроде "Царь-бомбы" (более 57 Мегатонн) или "Кастл Браво" и "Майк" (около 10 Мегатонн каждый). Это именно так и было — в начале развития термоядерного оружия. Связан такой гигантизм термоядерных изделий был с тем неприятным фактом, что все межконтинентальные баллистические ракеты и другие средства доставки тогда были немного "подслеповаты", и недостаток юношеской болезни точности попадания первых ракет конструктора компенсировали вот такими здоровенными молотками, как знаменитая "Кузькина мать" — она же "Царь-бомба".

В целом же современный термоядерный заряд может быть достаточно скромного размера. Его минимальная мощность определяется скорее не самим термоядерным оружием, а "зажигалкой" — инициирующим ядерным зарядом и "стаканом бензина" — плутониевым запальным стержнем, расположенным в середине "бочки" с термоядерным горючим. В роли термоядерного горючего в современных бомбах выступает смесь дейтерия (уже знакомого нам изотопа ²H) и изотопа лития ⁶Li, который используется в современных термоядерных боеприпасах, как замена весьма неудобного и капризного трития — изотопа ³H.

В чём проблема дейтерия и трития и что решает нам литий-6?
Во-первых, при нормальной температуре и давлении все изотопы водорода — газы. Ни для бомбы, ни для электростанции это не особо удобно. Химическое же соединение лития с водородом — дейтрид лития ⁶LiD представляет собой белый кристаллический порошок.
Кроме того, сам по себе дейтрид лития совершенно не радиоактивен и не представляет собой никакой опасности, если его, конечно, не есть ложками. В таких дозах его, кстати, использовали когда-то для лечения депрессий и маниакальных состояний.

Во-вторых — при использовании дейтрида лития отпадает потребность в дефицитном и радиоактивном тритии, поскольку этот необходимый для термоядерной реакции изотоп синтезируется прямо в бомбе, из ⁶Li. Реакция тут простая и, что приятно, тоже идёт с выделением энергии:



Ну а затем, уже после образования трития из лития, нахватавшегося нейтронов от ядерной "зажигалки" и от плутониевого "стакана с бензином" у нас запускается и основная реакция "дейтерий-тритий", которая тоже поддаёт жару в общий выхлоп по энергии:



Надо сказать, что советскую идею с дейтридом лития даже американцы смогли воспроизвести отнюдь не сразу. Первые американские термоядерные бомбы были с жидким дейтерием, который, ожидаемо, американцы были вынуждены охлаждать до температуры, близкой к абсолютному нулю.
Первый американский "Майк", взорванный ими 1 ноября 1952 года, был скорее не бомбой, а "домом, наполненным жидким водородом":


Взрыв "Майка". Первая термоядерная реакция на Земле.

Назвать бомбой 74-тонное американское устройство можно было с большим трудом. «Майк» представлял собой громоздкое устройство размером с двухэтажный дом, да ещё и с кучей дополнительных устройств вокруг, которые должны были обеспечивать подачу водорода при температуре чуть выше нуля градусов Кельвина.
Однако в "Майке" уже был реализован замечательный принцип, который потом позволит делать термоядерные бомбы и сколь угодно большими, и достаточно маленькими.

И тут мы должны будем посмотреть на СССР и понять, почему летом 1953 года русские стали завидовать американцам, а американцы начали завидовать русским. Потому что 12 августа 1953 года СССР таки рванул свою первую термоядерную бомбу — "слойку" из дейтрида лития.


Советская "Слойка". РДС-6с. Почти термоядерная, но уже бомба.

Мощность взрыва "слойки" оставила 400 килотонн. Однако, до сих пор не прекратились споры, был ли это настоящий термоядерный взрыв или лишь сверхмощный атомный. В схеме «слойка» инициирующий ядерный заряд — "зажигалка" — расположен в центре, и поэтому он не столько сжимает дейтрид лития, сколько разбрасывает его наружу — увеличение количества термоядерной взрывчатки не приводит к увеличению мощности – она просто не успевает детонировать. Именно этим и ограничена предельная мощность данной схемы — самая мощная в мире «слойка» Orange Herald, взорванная англичанами 31 мая 1957 года, дала только 720 килотонн мощности. Поэтому, согласно современным оценкам, на реакцию синтеза в бомбе РДС-6с пришлось не более 20% от суммарной мощности заряда. Основной же вклад во взрыв внесла реакция распада облученного быстрыми нейтронами оболочки бомбы из изотопа урана ²³⁸U , благодаря которому РДС-6с и открыла эру так называемых «грязных» бомб.
В общем, как и всегда в новом деле, испытание первой советской термоядерной бомбы принесло и радость прорыва, и кучу непредусмотренных физических эффектов, которые тут же превратились в социальные.

Дело в том, что основное радиоактивное загрязнение при взрыве термоядерной бомбы дают как раз продукты распада урана ²³⁸U из оболочки бомбы, в частности, стронций-90 и цезий-137. По существу, советская «слойка» была гигантской атомной бомбой, лишь незначительно усиленной термоядерной реакцией. Не случайно всего один взрыв «слойки» дал 82% стронция-90 и 75% цезия-137, которые попали в атмосферу за всю историю существования Семипалатинского полигона.

Однако это уже всё-таки было изделие, которое уже можно было назвать бомбой.
Как мы помним, американцы не смогли сделать свое устройство компактным: они использовали жидкий переохлажденный дейтерий вместо порошкообразного дейтрида лития у СССР. В Лос-Аламосе на советскую «слойку» реагировали с долей зависти: «вместо огромной коровы с ведром сырого молока русские используют пакет молока сухого».

Но похожий секрет был и американцев. Если СССР придумал «сухое молоко» вместо «коровы с ведром» у американцев, то американцы ещё на "Майке" умудрились обеспечить очень элегантную схему запуска термоядерной реакции.

Для создания компактного и управляемого термоядерного заряда идеально было бы заставить взрываться атомный запал "внутрь", сжимая термоядерную взрывчатку. Но как это сделать? Эдвард Теллер выдвинул ещё на взрыве "Майка" гениальную идею: сжимать термоядерное горючее не механической энергией или нейтронным потоком, а рентгеновским излучением первичного атомного запала и испарением оболочки бомбы.


Не пытайтесь повторить это дома.

В новой конструкции Теллера инициирующий атомный узел был разнесен с термоядерным блоком, как это сделано и на всех современных бомбах. Рентгеновское излучение взрыва, движущееся со скоростью, близкой к скорости света, при срабатывании атомного заряда опережало ударную волну взрыва и распространялось вдоль стенок цилиндрического корпуса, испаряя и превращая в плазму полиэтиленовую внутреннюю облицовку корпуса бомбы.
Плазма, полученная при испарении полиэтилена, в свою очередь, переизлучала более мягкое рентгеновское излучение, которое поглощалось внешними слоями внутреннего цилиндра из урана-238 – «пушера». Слои начинали взрывообразно испаряться — это явление называют абляция. Раскаленную урановую плазму оболочки было можно сравнить со струями сверхмощного ракетного двигателя, тяга которого направлена внутрь цилиндра с дейтерием. Урановый цилиндр схлопывался, давление и температура дейтерия достигала критического уровня. Это же давление обжимало центральную плутониевую трубку до критической массы, и она тоже детонировала. Взрыв плутониевого запала давил на дейтерий изнутри, дополнительно сжимая и нагревая термоядерную взрывчатку, которая, в итоге, детонировала от комбинированного давления испарения оболочки бомбы снаружи и от взрыва "стакана с плутониевым бензином" изнутри.
Интенсивный поток нейтронов, кроме того, в схеме Теллера расщеплял ядра урана-238 в оболочке бомбы, вызывая вторичную реакцию распада. Все это успевало произойти до того момента, когда взрывная волна от первичного ядерного взрыва ("зажигалки") достигала термоядерного блока. Расчет всех этих событий, происходящих за миллиардные доли секунды, и потребовал напряжения ума сильнейших математиков планеты. В частности, сейчас эта схема носит имена Теллера и Улама, поскольку именно Станислав Улам, польский математик, эмигрировавший в США, помог Теллеру обсчитать все эти наносекундные задержки в распространении рентгеновского излучения, нейтронов и ударной волны ядерного взрыва.


Станислав Улам.

Ну и, опять-таки, к вопросу о социальном — Станислав Улам был уроженцем польского города Лемберг, сейчас более известном нам под именем Львов. И, если бы он не уехал в США 17 августа 1939 года то, возможно, история сложилась бы немного иначе. Улам был евреем.

Сам Эдвард Теллер, как и все ведущие участники Манхэттенского проекта кроме Оппенгеймера и генерала Гровса, тоже не был американцем. Он родился в Венгрии. Ну а уехал он в США ещё в 1926 году. Поскольку Теллер тоже был евреем, в его случае уезд был абсолютно логичен — антиеврейские законы Хорти неслабо поощряли отъезд евреев из Венгрии ещё в 1920-е годы.

Но, вернёмся в 1953 год. Несмотря на режим повышенной секретности, утаить секреты друг от друга обеим сторонам так и не удалось.
Американцы догадались о советском дейтриде лития и первыми взорвали бомбу похожей конструкции — но уже у себя. 1 марта 1954 года у атолла Бикини американцы испытали 15-мегатонную бомбу «Кастл Браво» на дейтриде лития:



Ну а советские учёные, в ответном слове, воспроизвели американскую схему обжатия термоядерного заряда излучением первичного ядерного взрыва, испытав 22 ноября 1955 года на Семипалатинском полигоне первую советскую двухступенчатую термоядерную бомбу РДС-37, мощностью в 1,7 Мегатонн, основанную на таких же идеях и принципах, как и схема Теллера-Улама.



Однако тут мы снова должны нырнуть в социальное.
Как оказалось, что такая, как выразился по поводу схемы Теллера-Улама сам Оппенгеймер, "технически сладкая идея" могла прийти в голову двум независимым друг от друга группам учёных, которые напряжённо трудились по разные стороны "Железного Занавеса"?
И как идея с дейтридом лития в качестве термоядерного горючего, которая и открыла, собственно говоря, дорогу к современным термоядерным бомбам, была столь же быстро подхвачена американцами и воплощена ими, менее чем через год, во взрыве "Кастл Браво"?

Напомню, что секреты СССР охранялись очень рьяно, а к моменту озарения Теллера и Улама касательно обжатия второй ступени излучением взрыва шпионская сеть СССР в США, возглавляемая супругами Розенберг и британцем Фуксом уже была разгромлена! Американские секреты, а тем более — столь специфической природы было в 1952 году уже просто нереально передать — да и как потом вспоминали сами Теллер и Улам, после взрыва "Майка" они испытали не ужас, а неописуемый восторг — ведь до самого последнего момента вопрос возможности начала термоядерной реакции был неясен и открыт.

Однако, авторы книги «The Nuclear Express», бывший разработчик ядерного оружия Томас Рид и физик из Лос-Аламоса Дэнни Стилман, считают, что для запуска "лавины идей" было достаточно всего лишь двух, но очень красивых слов —  радиационная имплозия, которые рассказали о физическом принципе двухступенчатой бомбы. И, конечно же, самого факта проведенного американцами испытания "Майк".  Осознав смысл слов, просочившихся в открытую прессу и увидев результат испытания оружия, талантливые советские физики и инженеры уже смогли сами проделать свой, оригинальный путь к Т-бомбе.
Как и американцы, увидев ещё очень несовершенную "слойку", смогли понять, что СССР жидкий дейтерий не взрывал, а взорвал что-то совершенно иное.

Кстати, сейчас в мире по прежнему есть две схемы построения термоядерного оружия — американская схема Теллера-Улама и советская схема Трутнева-Бабаева.
Всё, что сейчас известно из открытой прессы об этих схемах —  это то, что они отличаются на уровне физической и технической реализации, но обе основываются на радиационной имплозии всё того же "стакана с бензином" —  внутреннего ядерного заряда, который вместе с оболочкой обжимает термоядерный боеприпас, состоящий из дейтрида лития и ещё массы дополнительных примочек.

Ну а если кто-то упрекнёт меня в том, что я незаслуженно забыл Андрея Сахарова, то я лишь скажу, что именно он был автором той первой, жутко грязной "слойки", которую СССР взорвал в 1953 году. И которая потом так и не стала серийным изделием, уступив место изделиям, сделанным по двухступенчатой схеме.

Ведь мы говорим, в общем-то не о бомбах. Не о Первом Основании.
Мы говорим о том, что для новых идей часто важна не техническая упаковка, а лишь психологический момент. Второе Основание всегда подчинит себе Первое основание, как бы мощно и внушительно не выглядело Первое.

Людская одежда железо,
А тело подарок небес.
Лицо как раскрытая книга,
А жадное сердце как бес.

Если мы знаем, что где-то, кто-то уже сделал невозможное, то наша психология будет работать на нас.
Мы можем, мы сделаем! Чем мы хуже?
Ведь всегда важен "Уровень шума". Считайте это моей иллюстрацией к этому пространному рассказу о СССР, США и Т-бомбе.


Термоядерный синтез —  возможен. Доказано в 1952.

И управляемый термоядерный синтез —  это и есть та антигравитация из «Уровня шума», которая и двинет нас вперёд, к звёздам.
Но нам сначала надо поверить в то, что он возможен.

А токамаки не подведут, если не подведут люди.