Во ВНИИЭФ был разработан и в 1984 году успешно испытан заряд с узким миделем. Разработка этого заряда, удовлетворяющего новым массогабаритным ограничениям, потребовала от специалистов института больших усилий и изобретательности.

МБР РС-22 с улучшенными тактико-техническими характеристиками, оснащенная РГЧ ИН с 10 ББ, поступила на вооружение с размещением в шахтных пусковых установках в 1989 году.

2.6. Вопросы разработки специализированных видов ядерных зарядов

Ядерные заряды обладают разнообразными поражающими факторами, которые можно разделить условно на две категории: первичные поражающие факторы, определяемые носителями энергии, выделяемой непосредственно при взрыве ядерного заряда, и вторичные поражающие факторы, образующиеся при взаимодействии первичных поражающих факторов с конкретной средой, окружающей ЯЗ. К первичным поражающим факторам, как известно, относятся:

•рентгеновское излучение;

•кинетическая энергия разлета продуктов взрыва ЯБП и носителя;

•нейтронное излучение;

•гамма-излучение;

•радионуклиды, наработанные при взрыве ЯБП, распадающиеся со временем с испусканием β и γ-излучения, а также α-частиц; определенное значение может иметь и обра-

зующееся при этом запаздывающее нейтронное излучение продуктов деления. Подавляющая часть энергии взрыва ЯЗ выделяется в виде двух первых факторов, причем, чем вы-

ше концентрация энергии в ЯЗ, тем большая часть энергии выходит в виде рентгеновского излучения. Нейтронное и гамма-излучение, а также часть рентгеновского излучения относятся к проникающим видам энергии ЯЗ, которые могут воздействовать на внутренние части различных объектов. В чистом виде первичные поражающие факторы ЯВ могут существовать и определять воз-

действие ЯВ только в отсутствии внешней среды, то есть в космическом пространстве.

При взаимодействии первичных факторов с окружающей средой возникают вторичные поражающие факторы, к которым относятся:

•ударная волна;

•тепловое излучение;

•электромагнитный импульс;

•сейсмическое воздействие;

•радиоактивное загрязнение.

Ударная волна и тепловое излучение образуются в основном за счет взаимодействия таких первичных факторов, как рентгеновское излучение и кинетическая энергия разлета первичных продуктов с атмосферой.

Электромагнитный импульс определяется созданием электронных потоков в атмосфере за счет ее ионизации гамма-излучением.

Сейсмическое воздействие определяется воздействием на грунт ударной волны ЯВ, а также прямого воздействия рентгеновского излучения и кинетической энергии разлета первичных продуктов.

Радиоактивное загрязнение территории определяется концентрацией радионуклидов, наработанных при взрыве ЯБП, на аэрозолях грунта, и их последующим выпадением в районе взрыва и вдоль траектории движения облака взрыва. Часть этих радионуклидов может быть связана с наработкой радионуклидов, при активации нейтронами ЯЗ некоторых изотопов, содержащихся в грунте.

Такова общая качественная картина поражающих факторов, которая, конечно, не является полной; в ней, например, отсутствуют специфические особенности, связанные с воздействием первичных поражающих факторов на водную среду.

Все ядерные заряды обладают в той или иной степени рассмотренным выше набором поражающих факторов. Вместе с тем в ряде случаев возникали специальные задачи относительного усиления или ослабления отдельных поражающих факторов, или их некоторых характеристик. Ядерные заряды, в которых решались эти задачи, относятся к категории специализированных ЯЗ, действие которых связано с усилением одного или ряда поражающих факторов. Отметим, что ре-

150	Укрощениеядра

шение этих задач достигалось специальными конструкционными особенностями ЯЗ, однако в некоторых случаях это решение могло быть достигнуто и за счет особенностей условий применения неспециализированных ЯЗ. Рассматриваемая проблематика затрагивает весьма чувствительные вопросы и в то же время связана с большим объемом усилий в реализации ядерных программ. Поэтому мы можем остановиться только на некоторых примерах этих видов работ, которые могут относиться к известным до определенной степени видам деятельности в области создания ЯО.

Важнейшим результатом совершенствования отечественного ядерного оружия явилось создание термоядерных зарядов переменной мощности, что существенно расширило возможности их боевого применения и повысило эффективность различных боевых комплексов. Принципиальное значение в создании и развитии этого нового вида ядерных зарядов имели предложения по способу регулирования мощности двухстадийного заряда на принципе разделения потока теплового излучения первичного источника на части и изменения уровня радиационной имплозии вторичного модуля двухстадийного заряда и оригинальных схем реализации этого принципа.

Необычность принципа потребовала реализации специального механизма процесса деления потока энергии и создания новых прецизионных трехмерных физико-математических моделей газодинамических процессов. Выдающаяся роль в формулировании, развитии и внедрении этих предложений принадлежит Р.И. Илькаеву.

2.6.1. Разработка ЯЗ и проблема уменьшения радиоактивного поражения

Одной из известных проблем является задача уменьшения наработки радионуклидов в ЯЗ и уменьшения радиоактивного загрязнения территории ядерным взрывом. Известность и актуальность этой задачи определяется следующими обстоятельствами:

•важностью снижения радиационных последствий ЯВ в целом ряде направлений использования ЯВ в мирных целях (например, для экскавационных работ, создания полостей для хранилищ и т.д.);

•рассмотрением радиоактивного загрязнения территории при военном применении ЯЗ, как побочного фактора, и в ряде случаев, как вредного фактора, при решении собственно военных вопросов;

•проблемой общего снижения радиоактивной нагрузки на среду обитания при использо-

вании ЯО.

Прежде всего отметим то обстоятельство, что переход от наземного подрыва ЯЗ к условиям воздушного подрыва, удовлетворяющим ограничению H(м) > 100 q1/3, где q – энерговыделение ЯВ в килотоннах, радикально снижает радиационное поражение территории на следе радиоактивного облака, поскольку ограничивает производство ядерным взрывом при его взаимодействии с грунтом аэрозолей, носителей радионуклидов.

Более жесткие ограничения на высоту подрыва уменьшают и радиоактивное загрязнение территории в эпицентральной зоне, сокращая, в том числе, наработку наведенной активности при активации грунта потоком нейтронов.

Эти особенности широко использовались для уменьшения радиационных последствий ЯВ в практике проведения атмосферных ядерных испытаний.

Технически решение данной задачи обеспечивается установкой в ЯБП (носитель) соответствующего элемента автоматики подрыва, который производит подрыв ЯЗ на заданной высоте.

В то же время такое решение не является универсальным для выполнения данной задачи. Оно не годится для всех случаев необходимого применения наземных взрывов, как в мирных, так и в военных целях, а также для уменьшения глобальной радиационной нагрузки. В этом случае используются соответствующие конструкционные решения. В основном эти решения состоят в следующем:

•в ограничении энерговыделения ЯЗ уровнем, действительно необходимым для решения данной задачи (отсутствии избыточного энерговыделения ЯЗ);

•в ограничении энерговыделения ЯЗ, определяемого процессом деления ядер;

•в ограничении наработки радионуклидов нейтронной активацией элементов ЯЗ, ЯБП и носителя, реализуемом за счет соответствующего выбора материалов, и мер по подавлению нейтронного потока;

р.з.

•в ограничении наработки радионуклидов во внешней среде активацией нейтронным излучением, реализуемой за счет способов подавления нейтронного потока ЯЗ;

•в ограничении исходной активности ЯЗ, вносимой в среду при его взрыве, реализуе-

мым, прежде всего, за счет уменьшения количества используемого плутония.

Следует отметить, что все эти способы редко используются одновременно, и, как правило, решается задача подавления основных видов активности в данной задаче тем или иным способом.

Рассмотрим, прежде всего, задачу исключения избыточной мощности ЯЗ. Эта задача имеет два аспекта:

•уменьшение радиоактивного загрязнения территории в непосредственной близости от места взрыва ЯЗ;

•уменьшение глобального радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Впредположении, что при фиксированном уровне радиоактивного загрязнения:

Sp.з.. = Lp.з. dp.з. ~ q,

Lp.з. ~ q ,

dp.з. ~ q ,

где Sp.з., Lp.з., dp.з. – площадь, длина и ширина зоны радиоактивного загрязнения на следе облака взрыва, q – энерговыделение ЯЗ, получаем, например, что при возможном уменьшении энерговыделения ЯЗ в четыре раза, длина и ширина зоны загрязнения могут быть уменьшены приблизительно в два раза (отметим приближенный характер этих оценок).

Актуальность второго аспекта имеет вполне конкретные исторические основания. Напомним, что к 1958 году ядерный арсенал США состоял из 7300 ядерных зарядов с полным энерговыделением приблизительно в 17,3 Гт. В случае использования подобного арсенала уровень глобального радиоактивного загрязнения в Северном полушарии земли составил бы через 60 суток после взрывов С = 1700 Ки/км2 при интенсивности гамма-дозы в 0,2 Р/сутки (при оценках мы приняли, что около 70% активности было выброшено в глобальный перенос атмосферой, что уровень энерговыделения за счет процесса деления составлял в ЯЗ США приблизительно 50% и что около 70% всей активности выпало через 60 суток равномерно по территории Северного полушария). При этом уровень долгосрочной активности, связанной с наработкой плутония в этих взрывах, составил бы около 1,6 107 Ки, а соответствующее глобальное радиоактивное загрязнение можно оценить в 0,06 Ки/км2 (напомним, что уровень 0,1 Ки/км2 по плутонию был принят в качестве критерия для отселения после Чернобыльской катастрофы).

Ясно, что такое применение ЯО в принципе было неприемлемо, и дальнейшее его развитие проходило со сдвигом во времени для США и СССР в рамках процесса снижения общего мегатоннажа ядерных арсеналов и индивидуального энерговыделения «средних» ЯЗ, входящих в их состав.

Поскольку перед ЯБП (носителем) в процессе изменения боевой ситуации могут вставать различные задачи, требующие для своего решения различных уровней энерговыделения ЯЗ, то в ряде случаев для исключения избыточных уровней энерговыделения было целесообразно оснащение ЯЗ с регулируемым уровнем энерговыделения. В соответствии с этим в зависимости от типа боевой задачи и условий ее выполнения могла бы использоваться та или иная ступень энерговыделения.

Рассмотрим теперь некоторые вопросы, связанные с уменьшением энергии, определяемой процессом деления ядер, при заданном общем энерговыделении ЯЗ, и следовательно, определяющие уменьшение осколочной активности ЯЗ. Создание подобного одностадийного (автономного) заряда, входившее в программу разработки «чистой бомбы», технически не было реализовано, и поэтому данный вопрос относится к двухстадийным термоядерным зарядам. Предположим, что Ep – это энерговыделение первичного модуля; Es – энерговыделение вторичного модуля, α2 – доля энерговыделения вторичного модуля за счет процесса деления. Выполнение рассматриваемой задачи предполагает обеспечение условий:

Es >> Ep; α2 Es << Es.

Отношение (α2 Es + Ep)/(Ep + Es) определяет степень «чисто ядерного» энерговыделения взрыва. По открытым данным первое испытание подобного ЯЗ «повышенной чистоты» было прове-

дено в США в 1956 году. В СССР подобное испытание впервые было проведено в 1958 году.

152	Укрощениеядра

Отметим, что в СССР данные разработки занимали существенное место в отработке ЯЗ для использования ядерных взрывов в мирных целях.

Решение задачи уменьшения наработки радионуклидов за счет нейтронной активации неделящихся материалов ЯЗ, ЯБП, носителя, а также грунта обеспечивается рядом способов. Прежде всего – это специальный выбор конструкционных материалов, которые заменяют делящиеся материалы во вторичном модуле. Этот выбор предполагает использование неактивируемых (слабо активируемых) материалов. Качественно подход к такому выбору может быть охарактеризован следующим образом. Предположим, что в процессе взрыва ЯЗ на материалах его элементов нарабатывается n сортов радионуклидов с количеством ядер Ni i = 1…n. Тогда совокупная активность подоб-

ной наработки радионуклидов составляет C (t) = ∑ Ni e−t / τi , где τi – время жизни i-го типа ра-

a τi

дионуклида. Если активность продуктов деления ЯЗ составляет Cf(t), то необходимое ограничение предполагает Ca(t)/Cf(t) << 1 для значимого диапазона изменения времени t. Более аккуратный подход предполагает учет относительной безопасности различных типов радионуклидов. Так, при обеспечении экологической безопасности взрыва по отношению к какой-либо компоненте среды рассматриваемое условие может быть модифицировано в виде:

		N	i	−1		−	τ	−1
							t / i
Ca (t)/ C f (t)≡	∑			Πi	e			/C f (t)Π f	(t)<<1,
		τi
	i

где Πi, Πf – предельно допустимое содержание i-го радионуклида и продуктов деления в данной среде. Это соотношение справедливо в отсутствии сепарации продуктов деления и активируемых радионуклидов при их поступлении в данную среду.

Отдельный вопрос связан с наработкой тритиевой активности в самом термоядерном горючем. Уменьшение тритиевой активности обеспечивается выбором специального вида термоядерного горючего и созданием необходимого режима его горения.

Уменьшение нейтронной активации грунта, а также материалов внешних элементов взрывающейся системы (носитель, контейнер, часть ЯБП и т.д.) может обеспечиваться также ослаблением нейтронного потока за счет использования специальных нейтронно-замедляющих и нейтроннопоглощающих материалов.

Оптимальные уровни подавления тритиевой активности и активности, наведенной в грунте, должны определяться соотношениями, подобными тем, которые приведены выше для ограничения активности, наведенной в ЯЗ.

Ограничение исходной активности, заложенной в ЯЗ, определяется, прежде всего, возможностями уменьшения массы плутония, используемого в заряде. В этом случае также можно рассматривать ограничения вида:

CPu Π−Pu1 / C f (t)Π−f1 (t)<<1,

где CPu – активность заложенного плутония, а ΠPu – предельно допустимое содержание плутония в данной среде.

2.6.2. Нейтронная бомба

Известным примером специализации ЯЗ является разработка «нейтронной бомбы», то есть заряда, обладающего существенно более высоким удельным выходом (на единицу энерговыделения) нейтронов по сравнению с обычными ядерными зарядами. Разработка подобных ЯЗ приобрела в 70-е годы скандальную известность в связи с тем, что прямым (и, как излагалось в прессе, единственным) объектом их поражения являлись люди. Нередко считалось, что применение подобных ЯЗ позволит сохранить материальные ценности, уничтожив население и войска.

Разработка «нейтронных зарядов» и оснащение этими зарядами боеголовок тактических ракет, артиллерийских снарядов и авиабомб ЯО США и НАТО предполагала в результате их использования уменьшение побочного ущерба в условиях военных действий на густонаселенной территории Европы.

Удельный выход нейтронов K в процессе деления составляет:

	σ	c
Nn ≈ (ϑ−1)−			N f ≡ KN f ,
	σf

где ϑ – число вторичных нейтронов, образующихся в одном акте деления; σf и σc – эффективные сечения деления ядер и нейтронного захвата в делящейся среде, Nn – число наработанных нейтронов; Nf – число делений.

Разумеется, что определенная таким образом характеристика удельного выхода K = Nn/Nf является верхней характеристикой для возможностей чисто ядерных зарядов, поскольку определенная часть нейтронов, выходящая из делящейся среды, будет энергетически ослаблена и поглощена во внешних частях ЯЗ, ЯБП и т.д.

При использовании конкретных данных можно оценить K = 2 для Pu-239 и K = 1,5 для U-235. Принимая условно среднее значение K = 1,75, получим, что удельный выход нейтронов из чисто ядерных зарядов не превышает 2,65 1023 н/кт. При этом нейтронный спектр не будет жестче спектра

деления ядер, и средняя энергия нейтронов не превосходит En = 2,1 МэВ.

Для термоядерного горючего в виде ДТ-смеси в условиях, когда роль термоядерных реакций дейтерий+ дейтерий мала, все определяется процессом T+D = n + He-4 + 17,6 МэВ. При этом энергия термоядерного нейтрона составляет En = 14.1 МэВ, а остальные 3,5 МэВ приходятся на энергию ядер Не-4.

Удельный выход нейтронов в данном процессе составляет Nn1 = 1,48 1024 н/кт при учете соб-

ственной энергии нейтронов.

По сравнению с чисто ядерным процессом, термоядерный процесс дает выигрыш в удельном выходе нейтронов от 5,6 до 28,1 раз, и при этом энергия нейтрона в среднем в 6,7 раз выше. Разумеется, это также верхние оценки, поскольку часть нейтронов будет замедлена и поглощена внутри ЯЗ, ЯБП и т.д.

Другим важным моментом при оценке сравнительных возможных характеристик наработки нейтронов в чисто ядерном и термоядерном заряде является следующее обстоятельство.

Как отмечалось выше, проблема создания автономного термоядерного заряда («чистой бомбы») не была решена и поэтому «нейтронная бомба», использующая термоядерное горение, по определению представляет собой двухстадийный ЯЗ, в котором энерговыделение первичного модуля основано на процессе деления, а энерговыделение вторичного модуля основано на термоядерном горении. Таким образом, при фиксированном общем энерговыделении двух ЯЗ удельный выход нейтронов термоядерного заряда будет уменьшен по сравнению с предельными характеристиками, рассмотренными выше, из-за вклада в общее энерговыделение доли ядерного первичного модуля.

Для проведения дальнейших оценок мы сделаем ряд чисто условных предположений. Мы примем, что энерговыделение первичного и вторичного модулей примерно одинаково, и что в термоядерное энерговыделение дает вклад примерно половина общего энерговыделения термоядерной реакции в 17,6 МэВ. В этих предположениях удельный выход нейтронов «нейтронной бомбы» можно оценить на уровне 1,65 1024 н/кт. Таким образом, в этих предположениях можно прогнозировать, что переход в рассматриваемых видах оружия от чисто ядерных зарядов к «нейтронной бомбе» позволяет при равном энерговыделении увеличить выход нейтронов в шесть раз.

В середине 70-х годов США развернули обширную программу по созданию нейтронных зарядов для оснащения различных видов вооружений. Это был военный и политический вызов, который требовал адекватного ответа.

Во ВНИИЭФ и ВНИИТФ были разработаны заряды переменной мощности с повышенными специальными поражающими факторами. Для решения этой задачи потребовалось создать специальные первичные бустированные источники в существенно асимметричной конфигурации. Фундаментальная научная проблема, которую необходимо было решить в ходе разработки, была связана с необходимостью исправления исходной асимметрии в процессе имплозии и обеспечением устойчивости работы бустерного режима. Эта проблема была успешно решена во ВНИИЭФ под научным руководством Р.И. Илькаева. В результате этого был создан целый ряд специальных зарядов, и тем самым был дан ответ на вызов США.