10 стыдных вопросов о ядерном оружии: отвечает физик Дмитрий Побединский

В новой серии статей эксперты отвечают на вопросы, которые обычно неловко задавать: кажется, что все об этом и так знают, а спрашивающий будет выглядеть глупо.

Перед премьерой «Оппенгеймера» мы поговорили с физиком Дмитрием Побединским об атомных бомбах. Надеемся, теперь фильм будет понятнее.

Дмитрий Побединский

Физик, популяризатор науки, автор канала «Физика от Побединского», владелец магазина конструкторов по физике.

1. Чем атомная бомба отличается от обычной?

Бомба в принципе — это снаряд, начинённый взрывчатым веществом, которое может вступать в химическую реакцию очень быстро. Когда это происходит, случается взрыв — то есть выделяется большое количество энергии за короткое время.

До активации бомбы эта энергия как бы хранится в «спящем состоянии». В обычных бомбах она запасена в виде связей между атомами молекул. В ядерной бомбе — в виде связей между частицами ядра, протонами и нейтронами. Связи между последними намного сильнее, поэтому и энергии, которая будет выделяться при активации бомбы, будет больше — при прочих равных — примерно в миллион раз.

2. Чем отличаются атомная, ядерная и термоядерная бомбы?

Понятия «атомная» и «ядерная бомба» чаще всего взаимозаменяемы и в нашем контексте означают одно и то же: для их взрыва используется реакция деления ядер тяжёлых элементов, таких как уран или плутоний.

В термоядерных бомбах используется другой принцип — термоядерный синтез, при котором такие лёгкие элементы, как водород или литий, сливаются в более тяжёлые, за счёт чего выделяется энергия, необходимая для взрыва.

По уровню энерговыделения термоядерные бомбы, в отличие от ядерных, можно сделать очень большими. Кратно наращивать мощность ядерного заряда довольно сложно, а нарастить мощность термоядерной бомбы — относительно легко.

Ещё у термоядерных бомб нет такого поражающего фактора, как радиация. А вот при взрыве ядерной бомбы образуется много нестабильных элементов и происходит радиационное загрязнение местности.

Однако зачастую в составе термоядерной бомбы есть ядерная бомба, которая и приводит к радиационному загрязнению, хоть и меньшему.

Если подытожить:

• атомная и ядерная бомба — это одно и то же;
• в атомных бомбах используются реакции тяжёлых элементов, в термоядерных — лёгких;
• наращивать мощность термоядерных бомб легче, чем атомных;
• при ядерном и термоядерном взрыве одинаковой мощности меньшее радиационное загрязнение будет во втором случае.

3. Как ядерное оружие активизируют и направляют к цели?

В радиоактивном веществе, которое содержится внутри атомной бомбы, реакция деления идёт постоянно в тлеющем режиме. Однако энергии, выделяющейся при этом, недостаточно, чтобы произошёл большой взрыв.

Сделать так, чтобы процесс пошёл активнее, можно. Для этого реакция деления должна быть цепной и самоподдерживающейся — то есть чтобы разрыв одной связи между частицами ядра провоцировал разрыв другой, и так далее по нарастающей. Тогда это лавинообразное воздействие за микродоли секунды приведёт к высвобождению большого количества энергии и, соответственно, взрыву.

Существует такое понятие, как критическая масса — минимальная масса вещества, необходимая для начала цепной реакции деления. То есть, чтобы бомба взорвалась, необходимо превысить критическую массу. Это делается двумя способами:

1. Соединяют вместе два одинаковых бруска с одинаковым веществом внутри и сжимают их на какое‑то время. То есть если критическая масса равна 10 кг, а каждый брусок весит по 6 кг, то, соединив их, мы получим брусок весом 12 кг, что превысит критическую массу, и начнётся цепная ядерная реакция. Так, например, сделали создатели первой бомбы «Малыш», которую сбросили на Хиросиму.
2. Шар, который имеет массу меньше критической, окружают взрывчаткой и создают направленный взрыв. Ударная волна сжимает этот шар, его плотность увеличивается. Масса для этой новой плотности становится выше критической, запускается реакция. Этот способ называется имплозивным, его применили для активации «Толстяка», сброшенного на Нагасаки, а также для «Гаджета» — самой первой бомбы, взорванной в пустыне США. В фильме «Оппенгеймер» показан этот момент.

Как бомбу направляют к цели — вопрос аэродинамики и космической баллистики. Сейчас существуют баллистические ракеты с ядерными или термоядерными боеголовками, которые запускают в воздух как космические ракеты, но на орбиту они не выходят. Вместо этого — начинают по определённой, заранее рассчитанной траектории падать к цели.

4. Что происходит после взрыва?

После того как бомба взорвалась, сначала выделяется много светового излучения, которое сжигает всё в определённом радиусе. Эта вспышка такой силы, что её можно сравнить с излучением от звезды в космосе. Поэтому всё, что находится в эпицентре, моментально сгорает.

Затем доходит ударная волна. Она движется со скоростью выше скорости звука, но ниже скорости света, сметая всё на своём пути: разрушает постройки, выкорчёвывает деревья, переворачивает машины.

Параллельно с этим местность загрязняется радиацией. Люди заболевают лучевой болезнью, у них и их потомков повышается риск онкологических заболеваний. Растения и животные мутируют. Сельхозполя становятся непригодными для использования.

5. Действительно ли у президентов ядерных держав есть красная кнопка?

Я этого не знаю. Мне кажется, это образное название. В самолёте, например, есть устройства, на которые записываются параметры полёта и разговоры пилотов. Они называются чёрными ящиками, хотя на самом деле окрашены в оранжевый цвет. То же самое и здесь — вряд ли «красная кнопка» описывает физическое воплощение.

Но то, что есть стратегическое ядерное оружие, которое находится на боевом дежурстве и, условно говоря, готово к применению в любой момент — это правда. Его могут использовать, когда наблюдается прямая угроза государству — от ядерного удара до нападения инопланетян, например. В этом случае первое лицо государства, президент, отдаёт личный приказ по его запуску.

Помимо этого, есть тактическое ядерное оружие, которое не подготовлено к непосредственному применению. Оно хранится в «законсервированном» состоянии в военных частях.

6. Есть ли срок годности у ядерного оружия?

В составе ядерных бомб используется нестабильное радиоактивное вещество, в котором происходит процесс естественного распада. Из‑за этого активные свойства ядерных бомб со временем становятся всё меньше и меньше. Но счёт идёт не на года, а на десятки тысяч лет.

Например, период полураспада плутония‑239 составляет 24 000 лет, а урана‑235 — 700 000 000 лет. Что это значит? Это значит, что лишь через это время активного вещества в бомбе станет в два раза меньше. То есть на горизонте сотен лет ядерная бомба остаётся опасной.

Однако помимо этого в бомбе есть дополнительные элементы, у каждого из которых — свой срок годности. Эти элементы тоже устаревают. Например, самая обычная взрывчатка может отсыреть, электроника — прийти в негодность. Поэтому срок годности каждой конкретной бомбы зависит от её конструкции.

7. Может ли атомная бомба взорваться сама?

Крайне маловероятно. Взрыв ядерной или термоядерной бомбы — это процесс, в котором легко может что‑то пойти не так. Если, например, бомба случайно выпадет из самолёта на асфальт, то в ней может что‑то сместиться, щёлкнуть, начнётся процесс запуска взрыва, но, скорее всего, он пройдёт не в полной мере и не приведёт к гигантскому энерговыделению. Будет просто маленький «пшик».

Например, в 1966 году, во время холодной войны, ВВС США проводило операцию «Хромированный купол». Несколько бомбардировщиков с атомными бомбами на борту постоянно находились в воздухе и готовы были в любой момент нанести удар по СССР.

Во время этой операции произошло несколько аварий. Один раз у них из люка выпала атомная бомба, и её осколки упали на испанский посёлок Паломарес. Был пожар, но, к счастью, взрыва не произошло, и никто из жителей не пострадал. Также бомба падала в море, и её вытаскивали с привлечением водолазов. Каждый из этих случаев, несмотря на другие негативные последствия, не привёл к активации ядерной бомбы.

8. Можно ли купить ядерное оружие?

Приобрести или произвести ядерное оружие, скорее, нельзя — это сложно, дорого и незаконно.

В 1968 году большинство существующих на тот момент стран подписали Договор о нераспространении ядерного оружия. Он ограничивает производство и продажу такого вооружения. Однако сейчас некоторые страны подозреваются в его нарушении. Например, поступали сообщения о том, что Иран хочет войти в клуб ядерных держав. Якобы на его территории идёт разработка атомной бомбы.

Что точно можно сказать — частным предприятиям разработка ядерного оружия вряд ли под силу. Чаще всего это национальные проекты, доступные только странам с крупными экономиками. Ведь для того, чтобы создать атомную бомбу с нуля, нужно сначала обогатить руду, чтобы из обычного урана получился нужный его изотоп. Кроме того, нужны очень точные приборы, которые измеряли бы наличие взрывчатого вещества в составе оружия.

К тому же за оборотом радиоактивных элементов следит особая «радиоактивная полиция». Ведь радиация всегда оставляет следы. Потому сделать так, чтобы большое количество радиоактивного вещества перевезли куда‑то незаметно, вряд ли возможно.

9. Чем взрыв на АЭС отличается от взрыва атомной бомбы?

При взрыве ядерной бомбы происходит цепная реакция и выделяется энергия, запасённая в ядре атома. А при аварии на АЭС внутри ядерного реактора с радиоактивным веществом возникает большое давление, которое приводит к разрыву. Представьте, что вы варите сгущёнку: если перекипятить банку, она взорвётся.

Да, и в том и в другом случае происходит радиоактивное загрязнение местности, но оно может различаться по масштабам. Так, например, Хиросиму и Нагасаки люди заселили вновь спустя всего несколько лет после бомбардировки. А вот вокруг Чернобыльской АЭС всё ещё сохраняется зона отчуждения, хотя авария произошла уже давно — в 1986 году. Почему?

Во‑первых, дело в том, что атомная бомба в Японии была взорвана на высоте несколько сотен метров над землёй, поэтому радиация быстрее «выветрилась». Реактор же в Чернобыле взорвался на уровне земли, сделав почву радиоактивной на много лет. Лишь недавно там начали встречать диких животных и растения без признаков мутаций.

Во‑вторых, в бомбе «Малыш» содержалось всего около 65 кг урана, в «Толстяке» — около 6 кг плутония. Чернобыльский реактор выпустил 180 тонн ядерного топлива. То есть при аварии в атмосферу было выброшено на порядок больше вредных веществ.

10. Сколько атомных бомб нужно, чтобы уничтожить Землю? Что будет, если начнётся ядерная война?

Сейчас мировой ядерный арсенал насчитывает около 13 000 ядерных боеголовок. Этого запаса не хватит, чтобы, например, сдвинуть Землю с её орбиты и тем самым, возможно, уничтожить на ней жизнь.

Однако если начнётся ядерная война, то пострадает большая часть населения планеты. Если учесть, что каждый пятый человек живёт в городе‑миллионнике, то удары по ним приведут к значительному сокращению популяции людей.

Затем по всей Земле начнутся пожары, которые повлияют на климат. Так что выжившие столкнутся с массовой засухой, кислотными дождями и голодом.