Текст книги "Огонь! Об оружии и боеприпасах"
Автор книги: Александр Прищепенко
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 12 страниц)
Рис. 2.47. Рефлекторы звукового оружия. Полигон Лофер
Встречались и «тяжелые случаи», когда пусть и представляющие научное достижение, но совершенно несостоятельная с военной точки зрения разработка доводилась до боевого применения. Примером служит создание сверхдальнобойной пушки под названием «Хохдрукспумпе» (в демонстративной глупости такого названия – «насос высокого давления» – чувствуется неизбывная жажда бойцов невидимого фронта бдеть при любых обстоятельствах). Устанавливая на бетонном основании, «Хохдрукспумпе» направляли только на одну мишень – город Лондон. Перенацеливание не предусматривалось. Оперенный 150 мм подкалиберный снаряд (рис. 2.48) разгоняло давление пороховых газов, причем, чтобы избежать формирования за дном движущегося в стволе снаряда волны разрежения, по мере его движения, с помощью электронной схемы воспламенялись дополнительные заряды пороха, расположенные в многочисленных (рис. 2.51) каморах по всей длине ствола. Прислуга орудия тренировалась в смене секций (нередки были разрывы). Дульная скорость снаряда весом 140 кг превышала 1,5 км/с, а дальность стрельбы – 160 км. Боевое применение «Хохдрукспумпе» закончилось так, как и следовало ожидать: установленная в районе Кале батарея из пяти орудий была обнаружена и уничтожена авиацией еще до того, как успела дать первый залп по британской столице. Все же пушка эта, с уменьшенным числом секций ствола, стреляла 30 декабря 1944 г. по Люксембургу с дистанции 42 км. Всего было выпущено 157 снарядов, с незначительным эффектом.
Рис. 2.48. Оперенные подкалиберные снаряды для сверхдальней стрельбы
Рис. 2.49. Сверхдальнобойная пушка, именовавшаяся для секретности в документах «Хохдрукспумпе», с фиксированной наводкой на цель
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!
Рис. 2.50. Осень 1944 г. Летящие во главе строя машин американские Б-24 «Либерейтор» положили бомбовые очереди на германский город Киль. И это – только начало дневной бомбардировочной операции…
…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).
Рис. 2.51. Лондон, 1944 г. На город пикирует крылатая ракета Fi-103 (в правом углу снимка). Над фюзеляжем хорошо различима «труба» пульсирующего воздушно-реактивного двигателя
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]11
Для определения элементов движения акселерометрами измеряются ускорения, возникающие в грех различных направлениях при полете ракеты (как известно, возникновение ускорения можно «засечь», измеряя, например, изменение веса тела известной массы). Интегрирование показаний акселерометров дает возможность получить всю необходимую информацию о положении ракеты
[Закрыть]. 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]12
Министр вооружений Третьего райха
[Закрыть] 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]13
Изречения взяты из книги воспоминаний военного куратора проекта Фау-2, генерала Вальтера Дорнбергера и принадлежат, соответственно, полководцу невидимого фронта Гиммлеру и занимавшего вторую ступень в нацистской иерархии Герингу, по совместительству, ведавшего и авиацией Третьего райха
[Закрыть]: «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).
Рис. 2.52. Подвижная пусковая установка баллистической ракеты А (Фау-2) и машины ее обеспечения
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).
Рис. 2.53. Схема ночной бомбардировочной операции британских ВВС.
Франкфурт на Майне, 1944 г.
1 – «Следопыты», 20 машин, эшелон – 6000 м, доложили о погодных условиях над целью, активности средств ПВО, сбросили осветительные бомбы;
2 – «Маркеры», 20 машин, эшелон – 4000 м, сбросили пиротехнические бомбы разноцветных огней, обозначившие цели;
3 – «Хозяин» – самолет командующего, по радио управлявшего операцией, эшелон 9000 м;
4 – основной поток бомбардировщиков, 460 машин, эшелон 6000 м.
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]14
Более чем два десятилетия спустя, в ходе войны на Ближнем Востоке, на один уничтоженный израильский самолет приходилось от 4,4 до 8,3 выпущенных ЗУР типов С-75 и С-125
[Закрыть]. Менее впечатляющим было боевое применение модификации R3: из 88 ЗУР цель поразили лишь 8.
Рис. 2.54. Зенитная управляемая ракета «Райнтохтер» на пусковой установке
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.
Рис. 2.55. Запуск зенитной управляемой ракеты Hs297 «Шметтерлинг»
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.
Рис. 2.56. Радиоуправляемая ракета воздушного боя «Лойхткэфер»
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.
Рис. 2.57. Двигатель и планер зенитной управляемой ракеты «Фойерлилие»
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.
Рис. 2.58. Зенитная управляемая ракета «Энциан» на направляющих, смонтированных на лафете 88-мм орудия
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».
Рис. 2.59. Модель ЗУР «Вассерфаль». На заднем плане, на плакате – значения моментов сил на ее управляющих поверхностях при различных скоростях полета, полученные методом аэродинамической трубы
Рис. 2.60. Пуск зенитной управляемой ракеты «Вассерфаль»
…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.
Рис. 2.61. Несмотря на то, что вся десятитонная бомба «Грэнд Слэм» пе уместилась на снимке, размеры ее можно представить. Бомбу готовятся подвесить к британскому четырехмоторному бомбардировщику «Ланкастер»
Рис. 2.62. Внизу, в немецком городе – огненная буря. Кабина кормового стрелка бомбардировщика «Ланкастер» залита ее светом
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]15
Институт имени кайзера Вильгельма II в пригороде Берлина – Далеме, известный своими исследованиями в области ядерной физики
[Закрыть].
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…
Рис. 3.1. Урановые руды: черная смолка и друза кристаллов желтого отунита
…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).
Рис. 3.2. А это – металлический уран
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.
Рис. 3.3. Разделение методом хроматографии па промокательной бумаге синих чернил марки «Радуга-2». Видно, что самая быстрая компонента настолько опередила другие, что между ней и компонентой с промежуточной скоростью диффузии образовался разрыв (светлая область, в которой, вероятно, присутствует в основном растворитель– вода). Совсем уж «медленная» компонента занимает область в центре хроматограммы, более темную, чем остальные
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.
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]16
Вода является хорошим замедлителем нейтронов, поскольку содержит много ядер водорода, близких ней громам по массе
[Закрыть], 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.
