Александр Прищепенко - Огонь! Об оружии и боеприпасах

• Название: Огонь! Об оружии и боеприпасах
• Автор: Александр Прищепенко
• Издательство: Моркнига
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2009
• ISBN: 978-5-903080-62-5

В книге, написанной специалистом в области боеприпасов читатель найдет экскурсы в газовую динамику, физику деления ядер и разделения изотопов, электронику больших токов и напряжений, магнитную кумуляцию, электродинамику, и даже — и историю боевого применения различного оружия.

Издание обильно иллюстрировано: чтобы убедиться в этом, достаточно раскрыть его на любой странице и полистать. Среди иллюстраций много оригинальных, которые были получены автором при проведении опытов (некоторые, наиболее безопасные из них, он рекомендует провести и читателю). Если дать себе труд прочитать несколько абзацев, то можно убедиться и в том, что книга написана живым языком. Она рассчитана на тех, кто интересуется физикой — как получивших высшее образование в этой области, так и тех, кто знает предмет в пределах школьного курса.

---

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.

Рис. 3.4. Вероятность того, что медленный нейтрон вызовет деление, на порядки превышает ту же вероятность для «быстрого» нейтрона (сечения реакции деления U233 на нейтронах разных энергий)

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!

Рис. 3.5. Сечения взаимодействия некоторых ядер с нейтронами разных энергий. Для низкоэнергетичных нейтронов различия заметны и характеризуются резонансами — значительными (иногда — до трех и более порядков) скачками сечений

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.