|
Ядерные испытания являются составным элементом технологии создания ядерного оружия, в которую входит:
Кроме того, проведение ядерных испытаний для отдельных образцов ЯЗ связано:
Ниже рассмотрены некоторые конкретные задачи развития ядерного оружия и их связь с ядерными испытаниями. Специфика проблемы не позволяет дать ее полный анализ в открытом изложении, поэтому затронуты только отдельные вопросы, изложение их ограничено, конкретные примеры относятся в основном к периоду атмосферных испытаний.
Проектирование ЯЗ, являющееся отправным элементом создания нового вида ядерных зарядов или модернизации ранее разработанных ЯЗ, неразрывно связано с ядерными испытаниями. Эта связь определяется накопленным практическим опытом разработки ядерных зарядов различных типов, развитием системы физико-математического моделирования процессов, происходящих в ЯЗ, и степенью адекватности расчетных параметров результатам ядерных испытаний. Уровень достоверности и универсальности системы физико- математического моделирования является одним из ключевых элементов в технологии создания ЯЗ. Это качество определяется, с одной стороны, уровнем развития собственно физических моделей и возможностями вычислительной техники, с другой - объемом проверки их выводов в разнообразных ситуациях, складывающихся в конкретных ядерных испытаниях. В этом плане каждое ядерное испытание (удачное или неудачное испытание конкретного ЯЗ) вносит свой вклад в общую технологию проектирования ядерного оружия, хотя размер и значение этих вкладов могут существенно варьировать для различных экспериментов. Очевидно также, что достаточность развитой системы проектирования ЯЗ зависит и от конкретного характера решаемых задач. По мере накопления экспериментального опыта и совершенствования моделей система проектирования может в ряде вопросов заменять ядерные испытания. Конкретные характеристики развитой системы проектирования ЯЗ, особенности боеприпасов созданного ядерного арсенала, характер возможных изменений технологии производства и эксплуатации, предъявляемые требования к ЯЗ определяют возможности поддержания созданного ядерного арсенала и разработки новых видов ЯЗ в условиях запрещения (моратория) ядерных испытаний.
На первых этапах ядерных программ США и СССР работы в практическом плане были направлены на улучшение массогабаритных характеристик этих зарядов, более эффективное использование делящихся материалов, повышение стабильности параметров ЯЗ в различных ситуациях. Эти работы были связаны с проведением значительного количества ядерных испытаний, в которых апробировались конкретные технические решения перечисленных вопросов.
Известно, что в этих целях, например:
Конечно, для того времени проведение данных экспериментов было целесообразно и оправдано. Вместе с тем не вызывает сомнений и то, что в данное время системы проектирования многих подобных ЯЗ достаточны для разработки аналогов таких зарядов без ядерных испытаний.
Ядерные испытания, проводившиеся в рассматриваемых целях, предоставляли конкретную информацию в отношении энерговыделения ядерного взрыва, параметров нейтронного и гамма-излучений, сопровождающих деление ядер, и тем самым позволяли тестировать и развивать наряду с лабораторными экспериментами систему проектирования ЯЗ.
Одной из общих черт развития ядерного оружия СССР и США является то, что оба государства создали свои системы ядерных вооружений на основе плутония как определяющего делящегося материала первичных модулей и автономных ЯЗ. Использование плутония позволило, благодаря его высоким нейтронно-размножающим свойствам, достигнуть существенного продвижения в таких параметрах, как габаритно-массовые параметры ЯЗ, отношение "энерговыделение/масса", и адаптировать ядерное оружие для целей различных видов вооруженных сил. Вместе с тем этот подход обусловил проблему аварийной радиационной взрыве - безопасности ЯЗ, связанную с опасностью загрязнения окружающей среды активностью плутония при авариях с ЯЗ, и привел к значительному развитию радиационно-опасных технологий, связанных с производством, выделением и обработкой плутония. При этом необходимо иметь в виду, что в том случае, если бы не удалось получить такой материал, как плутоний, системы ядерного оружия США и СССР, конечно, были бы созданы, хотя история их развития и характеристики были бы, несомненно, другими.
В подавляющем большинстве ядерных испытаний определялись параметры, характеризующие эффективность сжатия плутония, входящего в состав ЯЗ, а также влияние на нее различных изменений, вносимых в схему отдельных конкретных зарядов. Эти исследования, а также гидродинамические лабораторные эксперименты, гидроядерные эксперименты и нейтронно-физические эксперименты с критическими сборками позволили создать достаточно информативную картину поведения блоков с плутонием в различных условиях его взрывного нагружения, характерных для ядерных зарядов.
Фундаментальный шаг в развитии ядерных вооружений был сделан при переходе к созданию двухстадийных ЯЗ, в которых второй модуль работает в условиях имплозии, определяемой взрывом первичного модуля. Прорыв в этом направлении был реализован в США в эксперименте Mike (31.10.52 г.) и в серии испытаний операции Castle (1954 г.), а в СССР в эксперименте 22 ноября 1955 года с ЯЗ РДС-37. Этот шаг привел к существенному повышению абсолютного и удельного энерговыделения ядерного оружия и резкому увеличению мегатоннажа ядерных арсеналов.
Так, например, мегатоннаж ядерного арсенала США возрос в 1957 году по сравнению с 1953 годом в 240 раз (с ~73 до ~17500 Мт). Именно на этой стадии развития ядерных арсеналов возникла проблема глобальной экологической катастрофы в случае широкомасштабного ядерного конфликта.
Следует отметить существенные различия в характеристиках первых двухстадийных ядерных устройств, созданных в СССР и США.
Необходимо отметить также достаточно приближенный уровень предсказания энерговыделения первых термоядерных взрывов.
Практическое развитие разработка РДС-37 получила в экспериментах 30 августа и 17 ноября 1956 г., в которых было реализовано энерговыделение Е=0,9 Мт, и далее в ядерном испытании 6 октября 1957 г., в котором было реализовано энерговыделение Е=2,9 Мт.
Проведенные испытания хорошо иллюстрируют также достаточную приближенность развитой к тому времени системы проектирования ЯЗ в отношении процессов, характеризующих работу двухстадийных термоядерных зарядов. Роль ядерных испытаний (помимо собственно аттестации параметров новых разработок) состояла в накоплении информации, необходимой для совершенствования физико-математических моделей, определении ключевых элементов и создании адекватной системы проектирования подобных ЯЗ.
Типичным видом работ по совершенствованию ядерных зарядов были разработки, связанные с повышением параметров удельного энерговыделения ЯЗ. В ядерных испытаниях 27 февраля и 12 октября 1958 г. был проверен ядерный заряд, который являлся непосредственным развитием схемы ЯЗ РДС-37: этот заряд характеризовался отношением L/D = 1,5 при абсолютном уровне энерговыделения, близком к РДС-37.
Следующий шаг в разработке ЯЗ этого класса был сделан в ядерных испытаниях 23 февраля и 24 октября 1958 г. В этом случае отношение L/D= 2,2 - 2.
По сравнению с рассмотренной выше разработкой при близком (и несколько большем) значении E/G была существенно повышена удельная характеристика E/Vо(в 2,1-2,4 раза). Эта разработка явилась стартом для развертывания широкого фронта работ по созданию и испытанию различных конкретных ЯЗ аналогичного типа.
Следует отметить, что аналогичная деятельность проводилась примерно в это же время и в США. В серии испытаний 1956 года (Eri-Dacota) в США был разработан термоядерный заряд мегатонного класса (Е = 1,1 Мт) с отношением L/D= 2,9 и параметрами E/G = 1,15-1,3 Мт/т, E/Vо = 3,7 Мт/м3. По сравнению с удельными характеристиками зарядов предыдущего поколения (Cherokee)при существенно меньшей абсолютной мощности (в ~3,5 раза) была сохранена удельная мощность E/G, в ~2 раза увеличена удельная мощность E/Vо и существенно уменьшено отношение L/D (с ~3,9 до ~2,9).
Очевидно, что радикальное изменение конструкции ЯЗ потребовало развития системы проектирования ЯЗ и ее калибровки в проводившихся ядерных испытаниях.
Одним из характерных направлений развития термоядерного оружия в рассматриваемое время было создание мощных термоядерных зарядов и совершенствование их удельных показателей.
Наиболее мощным ядерным испытанием США было испытание Bravo 28 февраля 1954 г. с энерговыделением Е = >15 Мт.
Через 4 года в испытании Oak был испытан мощный термоядерный заряд с удельным энерговыделением, в 2,3 раза превышающим характеристики устройства Bravo.
Характерным примером параметров сверхмощных ядерных зарядов СССР является результат, полученный в опыте 27 сентября 1962 г., с абсолютным энерговыделением более 10 Мт. По сравнению с параметрами устройств в экспериментах 23 февраля и 24 октября 1958 г. параметр Е/М возрос в 3,5 - 4 раза, а параметр E/V - в 3 - 3,3 раза.
Рекордные характеристики по абсолютному энерговыделению были достигнуты в опыте СССР 30 октября 1961 г. с мощностью взрыва Е = 50 Мт, в котором проверялся в неполномасштабном испытании ЯЗ с номинальным энерговыделением Е = 100 Мт. Эксперимент подтвердил номинальные характеристики заряда.
Реализация подобных высоких характеристик стала возможной в результате накопленного опыта и совершенствования системы проектирования ЯЗ.
При разработке данного ЯЗ отмечалось, что его успешное испытание откроет путь к созданию ядерного оружия практически неограниченной мощности. По-видимому, в 1961 году эта возможность представлялась актуальной для системы ядерных вооружений СССР. В то же время следует отметить, что рассматриваемый сверхмощный заряд ни в номинальном варианте (Е = 100 Мт), ни в испытательном (Е = 50 Мт) - никогда не входил в ядерный боезапас СССР. Соответственно и это направление работ не получило дальнейшего развития. Ядерная программа СССР пошла по другому пути.
Отметим также, что проведение ядерного испытания 30 октября 1961 г. с энерговыделением Е = 50 Мт, в котором было радикально сокращено значимое экологическое воздействие взрыва, явилось крупным достижением технологии ядерных испытаний СССР, созданной к тому времени.
Разработка сверхмощных термоядерных зарядов рассматривалась как важная задача для обоих ядерных институтов СССР. Рассмотренные выше разработки ядерных зарядов, испытанных 30 октября 1961 г. и 27 сентября 1962 г., проводились во ВНИИЭФ ( Арзамас-16).
В качестве примеров разработок сверхмощных зарядов, проводившихся ВНИИТФ (Челябинск-70), можно привести устройства, испытанные 25 сентября и 24 декабря 1962 г. В первом случае проводилось испытание заряда, близкого по характеристикам к заряду ВНИИЭФ, испытанному 27 сентября 1962 г. Сравнение показывает, что это были, по-существу, дублирующие разработки.
В эксперименте 24 декабря 1962 г. проводилось испытание сверхмощного заряда с номинальным энерговыделением около 50 Мт в условиях неполномасштабного взрыва с примерно в два раза сниженной мощностью. Испытание подтвердило ожидаемые характеристики заряда. Отметим, что в испытательном варианте, представляющем собой заряд повышенной чистоты, собственно ядерное энерговыделение было невелико.
Характерным видом работ при разработке термоядерных зарядов большой мощности для США было создание ЯЗ повышенной чистоты, в которых вклад ядерного энерговыделения в полную мощность взрыва существенно снижался.
Первое испытание в этих же целях было проведено в СССР 20 октября 1958 г. на полигоне на Новой Земле в модификации ранее испытанного "грязного" двухстадииного заряда. Уровень ядерного энерговыделения, достигнутый в разработке, составил незначительную часть полной энергии, однако, при этом полное энерговыделение существенно уменьшилось по сравнению с базовым зарядом.
К данным разработкам примыкает рассмотренный выше заряд, испытанный 30 октября 1961 г., с энерговыделением Е = 50 Мт, в котором доля собственно ядерного энерговыделения была невелика.
При рассмотрении вопросов, связанных с практическим значением использования зарядов повышенной чистоты для военных целей, важное значение имели результаты атмосферных испытаний, которые характеризовали радиационную обстановку в районе эпицентра взрыва и на следе радиоактивного облака в зависимости от высоты (приведенной высоты) взрыва.
При анализе вопросов определения возможного уменьшения активности взрывов исследовалось влияние наведенной активности, связанной с нейтронной активацией элементов конструкции термоядерного боеприпаса.
Определенное различие в подходах разработчиков двух стран было обусловлено тем, что полный мегатоннаж ядерного арсенала СССР в то время был далек от того уровня, когда он мог представлять глобальную угрозу для среды обитания в случае широкомасштабного ядерного конфликта. Работы США в этом направлении, по-видимому, были связаны с поисками удовлетворительного решения данной проблемы, которая была актуальна в связи с большой величиной мегатоннажа ядерного арсенала США.
Ядерные испытания позволили существенно развить представления о составе и количестве радионуклидов, нарабатываемых в ядерных и термоядерных взрывах, характере переноса и выпадения радиоактивности в различных зонах, прилегающих к району взрыва, и глобальном радиоактивном загрязнении среды обитания. Приведем ряд оценок глобального радиоактивного загрязнения, к которому могло бы привести использование ядерного арсенала США (мегатоннаж ~20000 Мт) того времени в масштабной ядерной войне.
Удельная наработка активности продуктов деления 238U к характерному моменту t ~ 30 сут, который может определять начало глобального выпадения активности, произведенной рассматриваемыми взрывами, составляет Со = 2,3*105 Ки/кт (по делению), а совокупная наработка активности продуктов деления к этому времени может быть оценена в СΣ = 2,3*1012 Ки. При равномерном распределении этой активности по поверхности земного шара ее плотность составит q = 4,5*103 Ки/км2. Интенсивность гамма-дозы, создаваемой этой активностью, может быть оценена на уровне Dγ = 0,85 Р/сут (∆t= 30 сут), а интегральная поглощенная доза за все время после выпадения активности может составить Dγ = 15 - 40 Р (в зависимости от времени выпадения активности на данной территории (но не ранее 30 сут. после производства взрывов) и от скорости заглубления активности в грунт).
Глобальное радиоактивное загрязнение среды обитания связано также с наработкой активности плутония, трития и радиоуглерода 14 С.
Исходя из удельной наработки активности плутония в термоядерных зарядах (в основном 239Рu и 240Рu) в Со= 103 Ки/Мт, получим оценку возможной интегральной наработки активности плутония при подрыве ЯЗ ядерного арсенала США в СΣ=2*107 Ки. При равномерном распределении этой активности по поверхности земного шара ее плотность может быть оценена в q(Pu) = 4*10(- 2) Ки/км2.
При уровне удельной наработки остаточного трития в термоядерных зарядах m= 0,5 - 1 кг/Мт интегральная наработка трития в рассматриваемом случае может быть оценена на уровне mΣ= 9 - 17,5 т с совокупной активностью СΣ(Т) = (0,9-1,75)*1011 Ки. Эта величина превышает в 50-100 раз равновесное естественное содержание трития в гидросфере.
Исходя из величины удельной наработки нейтронов при взрыве термоядерных зарядов в п = 2*1026 нейтр./Мт, в предположении их полного захвата азотом атмосферы, получим оценку возможной наработки радиоуглерода 14 С в рассматриваемом случае на уровне mo = 83 т с совокупной активностью CΣ (14C ) = 3,7*108 Ки. Для сравнения отметим, что эта величина в ~102 раз превышает естественное содержание радиоуглерода в атмосфере и находится на уровне естественного содержания 14С в гидросфере.
Снижение остроты проблемы глобального радиоактивного загрязнения было связано в дальнейшем не с увеличением роли в ядерном арсенале зарядов повышенной чистоты, а с уменьшением совокупного мегатоннажа ядерного арсенала при увеличении общего количества ЯЗ, т.е. с существенным уменьшением типичной мощности ЯЗ, стоящих на вооружении.
Для СССР также характерен этот путь, хотя по сравнению с развитием ядерного арсенала США он проходил в другой отрезок времени.
В рассматриваемый период времени (1949-1962 гг.) был заложен фундамент системы проектирования ядерного оружия, определены основные принципы его создания и развития. Это было сделано в СССР в условиях эффективного развития физических моделей процессов, происходящих в ядерных и термоядерных зарядах, при специфически ограниченных возможностях вычислительной техники и при широком экспериментальном исследовании работы различных образцов ЯЗ в натурных испытаниях.
При разработке ядерных зарядов, первичных модулей двухстадийных термоядерных зарядов можно выделить такие основные направления развития, которые сохранились на долгие годы, как:
• обеспечение необходимой надежности номинальных характеристик.
Существенное значение играло обеспечение необходимых конструкционных характеристик, связанных с работоспособностью ЯЗ в различных эксплуатационных условиях.
На этой стадии работ были осознаны проблемы, связанные с обеспечением ядерной взрывобезопасности (ЯВБ) ядерных зарядов в условиях случайных аварийных ситуаций, приводящих к детонации взрывчатых веществ из одной точки подрыва. Первый специальный эксперимент в СССР в этих целях был проведен 26 августа 1957 г.
Уже в 1954 году было осознано, что неядерный взрыв ядерного заряда сопровождается диспергированием плутония, входящего в его состав, с последующим его выпадением. Первый эксперимент, в котором были получены практические результаты в этом плане, состоялся 19 октября 1954 г., когда произошел непредвиденный отказ ядерного заряда.
В это время получил распространение подход к конструированию двухстадийных зарядов, когда один и тот же первичный модуль использовался в различных термоядерных зарядах, что позволило существенно повысить эффективность и надежность ядерных испытаний и разработок ядерных зарядов. Эти подходы получили свое развитие в последующие годы.
Разработка двухстадийных термоядерных зарядов предполагала следующие основные направления их совершенствования:
Здесь также существенное значение имело обеспечение требуемых характеристик в различных эксплуатационных условиях. Важную роль играли вопросы, связанные с поражающими факторами взрыва термоядерных зарядов.
|