Наша стаття присвячена історії створення та загальним принципам синтезу такого пристрою, як термоядерна бомба, іноді званої водневої. Замість виділення енергії вибуху при розщепленні ядер важких елементів, на зразок урану, вона генерує навіть більша її кількість шляхом злиття ядер легких елементів (наприклад, ізотопів водню) в один важкий (наприклад, гелій).
Чому краще злиття ядер?
При термоядерної реакції, що полягає в злитті ядер беруть участь в ній хімічних елементів, генерується значно більше енергії на одиницю маси фізичного пристрою, ніж в чистій атомну бомбу, що реалізує ядерну реакцію поділу.
В атомній бомбі ділиться ядерне паливо швидко, під дією енергії підриву звичайних вибухових речовин об`єднується в невеликому сферичному обсязі, де створюється його так звана критична маса, і починається реакція поділу. При цьому багато нейтрони, що звільняються з ядер, що діляться, будуть викликати розподіл інших ядер в масі палива, які також виділяють додаткові нейтрони, що призводить до ланцюгової реакції. Вона охоплює не більше 20% палива, перш ніж бомба вибухає, або, можливо, набагато менше, якщо умови не ідеальні: так в атомних бомбах Малюк, скинутої на Хіросіму, і Товстун, що вразила Нагасакі, ККД (якщо такий термін взагалі можна до них застосовувати) були всього 1,38% і 13%, відповідно.
Злиття (або синтез) ядер охоплює всю масу заряду бомби і триває, поки нейтрони можуть знаходити ще не вступило в реакцію термоядерна пальне. Тому маса і вибухова потужність такої бомби теоретично необмежені. Таке злиття може тривати теоретично нескінченно. Дійсно, термоядерна бомба є одним з потенційних пристроїв кінця світу, яке може знищити всю людське життя.
Що таке реакція злиття ядер?
Паливом для реакції термоядерного синтезу служать ізотопи водню дейтерій або тритій. Перший відрізняється від звичайного водню тим, що в його ядрі, крім одного протона міститься ще і нейтрон, а в ядрі тритію вже два нейтрона. У природній воді один атом дейтерію доводиться на 7000 атомів водню, але з його кількості. що міститься в склянці води, можна в результаті термоядерної реакції отримати таку ж кількість теплоти, як і при згорянні 200 л бензину. На зустрічі в 1946 році з політиками, батько американської водневої бомби Едвард Теллер підкреслив, що дейтерій дає більше енергії на грам ваги, ніж уран або плутоній, однак варто двадцять центів за грам в порівнянні з кількома сотнями доларів за грам палива для ядерного ділення. Тритій в природі у вільному стані взагалі не зустрічається, тому він набагато дорожче, ніж дейтерій, з ринковою ціною в десятки тисяч доларів за грам, проте найбільшу кількість енергії вивільняється саме в реакції злиття ядер дейтерію і тритію, при якій утворюється ядро атома гелію і вивільняється нейтрон, що відносить надлишкову енергію в 17,59 МеВ
D + T - 4Чи не + n + 17,59 МеВ.
Схематично ця реакція показана на малюнку нижче.
Багато це чи мало? Як відомо, все пізнається в порівнянні. Так ось, енергія в 1 МеВ приблизно в 2,3 мільйона разів більше, ніж виділяється при згорянні 1 кг нафти. Отже злиття тільки двох ядер дейтерію і тритію вивільняє стільки енергії, скільки виділяється при згорянні 2,3 106 17,59 = 40,5 106 кг нафти. Але ж мова йде тільки про двох атомах. Можете уявити, як високі були ставки в другій половині 40-х років минулого століття, коли в США і СРСР розгорнулися роботи, результатом яких стала термоядерна бомба.
Як все починалося
Ще влітку 1942 р на початку реалізації проекту створення атомної бомби в США (Манхетенскій проект) і пізніше в аналогічній радянській програмі, задовго до того, як була побудована бомба, заснована на поділі ядер урану, увагу деяких учасників цих програм було залучено до пристрою, яке може використовувати набагато більш потужну термоядерну реакцію злиття ядер. У США прихильником цього підходу, і навіть, можна сказати, його апологетом, був уже згаданий вище Едвард Теллер. В СРСР цей напрям розвивав Андрій Сахаров, майбутній академік і дисидент.
Для Теллера його захоплення термоядерним синтезом в роки створення атомної бомби зіграло швидше ведмежу послугу. Будучи учасником Манхетенского проекту, він наполегливі закликав до перенаправлення коштів на реалізацію власних ідей, метою яких була воднева і термоядерна бомба, що не сподобалося керівництву і викликало напруженість у відносинах. Оскільки в той час термоядерна напрямок досліджень не була підтримана, то після створення атомної бомби Теллер покинув проект і зайнявся викладацькою діяльністю, а також дослідженнями елементарних частинок.
Однак почалася холодна війна, а найбільше створення і успішне випробування радянської атомної бомби в 1949 р, стали для запеклого антикомуніста Теллера новим шансом реалізувати свої наукові ідеї. Він повертається в Лос-Аламоської лабораторії, де створювалася атомна бомба, і спільно зі Станіславом Уламом і Корнеліусом Евереттом приступає до розрахунків.
Принцип термоядерної бомби
Для того щоб почалася реакція злиття ядер, потрібно миттєво нагріти заряд бомби до температури в 50 мільйонів градусів. Схема термоядерної бомби, запропонована Теллером, використовує для цього вибух невеликої атомної боми, яка знаходиться всередині корпусу водневої. Можна стверджувати, що було три покоління в розвитку її проекту в 40-х роках минулого століття:
- варіант Теллера, відомий як "класичний супер";
- складніші, але і більш реальні конструкції з декількох концентричних сфер;
- остаточний варіант конструкції Теллера-Улама, яка є основою всіх працюючих понині систем термоядерної зброї.
Аналогічні етапи проектування пройшли і термоядерні бомби СРСР, біля витоків створення яких стояв Андрій Сахаров. Він, мабуть, цілком самостійно і незалежно від американців (чого не можна сказати про радянську атомну бомбу, створеної спільними зусиллями вчених і розвідників, які працювали в США) пройшов всі перераховані вище етапи проектування.
Перші два покоління мали тим властивістю, що вони мали послідовність зчеплених "шарів", кожен з яких посилював деякий аспект попереднього, і в деяких випадках встановлювалася зворотний зв`язок. Там не було чіткого поділу між первинною атомною бомбою і вторинної термоядерної. На відміну від цього, схема термоядерної бомби розробки Теллера-Улама різко відрізняє первинний вибух, вторинний, і при необхідності, додатковий.
Пристрій термоядерної бомби за принципом Теллера-Улама
Багато його деталі як і раніше залишаються засекреченими, але є достатня впевненість, що все наявне нині термоядерна зброя використовує в якості прототипу пристрій, створене Едвардом Теллерос і Станіславом Уламом, в якому атомна бомба (т. Е. Первинний заряд) використовується для генерації випромінювання, стискає і нагріває термоядерна паливо. Андрій Сахаров в Радянському Союзі, очевидно, незалежно придумав аналогічну концепцію, яку він назвав "третьою ідеєю".
Схематично пристрій термоядерної бомби в цьому варіанті показано на малюнку нижче. 
Вона мала циліндричну форму, з приблизно сферичної первинної атомною бомбою на одному кінці. Вторинний термоядерний заряд в перших, ще непромислових зразках, був з рідкого дейтерію, трохи пізніше він став твердим з хімічної сполуки під назвою дейтерид літію.
Справа в тому, що в промисловості давно використовується гідрид літію LiH для безбалонной транспортування водню. Розробники бомби (ця ідея спочатку була використана в СРСР) просто запропонували брати замість звичайного водню його ізотоп дейтерій і з`єднувати з літієм, оскільки з твердим термоядерним зарядом виконати бомбу набагато простіше.
За формою вторинний заряд був циліндр, поміщений в контейнер зі свинцевою (або уранової) оболонкою. Між зарядами знаходиться щит нейтронної захисту. Простір, між стінками контейнера з термоядерним пальним і корпусом бомби заповнене спеціальним пластиком, як правило, пінополістиролом. Сам корпус бомби виконаний зі сталі або алюмінію.
Ці форми змінилися в останніх конструкціях, таких як показана на малюнку нижче. 
У ній первинний заряд сплюснут, як кавун або м`яч в американському футболі, а вторинний заряд - сферичний. Такі форми набагато ефективніше вписуються у внутрішній обсяг конічних ракетних боєголовок.
Послідовність термоядерного вибуху
Коли первинна атомна бомба детонує, то в перші миті цього процесу генерується потужне рентгенівське випромінювання (Потік нейтронів), яке частково блокується щитом нейтронної захисту, і відбивається від внутрішньої облицювання корпусу, навколишнього вторинний заряд, так що рентгенівські промені симетрично падають на нього по всій його довжині.
На початкових етапах термоядерної реакції нейтрони від атомного вибуху поглинаються пластиковим заповнювачем, щоб не допустити надто швидкого розігріву палива.
Рентгенівські промені викликали появу спочатку щільною пластиковою піни, яка заповнює простір між корпусом і вторинним зарядом, яка швидко переходить в стан плазми, що нагріває і стискає вторинний заряд.
Крім того, рентгенівські промені випаровують поверхню контейнера, навколишнього вторинний заряд. Симетрично випаровується щодо цього заряду речовина контейнера набуває певний імпульс, спрямований від його осі, а шари вторинної заряду відповідно до закону збереження кількості руху отримують імпульс, спрямований до осі пристрою. Принцип тут той же, що і в ракеті, тільки якщо уявити, що ракетне паливо розлітається симетрично від її осі, а корпус стискається всередину.
В результаті такого стиснення термоядерного палива, його обсяг зменшується в тисячі разів, а температура досягає рівня початку реакції злиття ядер. Відбувається вибух термоядерної бомби. Реакція супроводжується утворенням ядер тритію, які зливаються з ядрами дейтерію, спочатку наявними в складі вторинного заряду.
Перші вторинні заряди були побудовані навколо стрижневого сердечника з плутонію, неофіційно званого "свічкою", який вступав в реакцію ядерного ділення, т. Е. Здійснювався ще один, додатковий атомний вибух з метою ще більшого підняття температури для гарантованого початку реакції злиття ядер. В даний час вважається, що більш ефективні системи стиснення усунули «свічку», дозволяючи подальшу мініатюризацію конструкції бомби.
операція Плющ
Так назвалися випробування американського термоядерного зброї на Маршаллових островах в 1952 р під час яких була підірвана перша термоядерна бомба. Вона називалася Плющ Майк і була побудована за типовою схемою Теллера-Улама. Її вторинний термоядерний заряд був поміщений в циліндричний контейнер, який представляє собою термічно ізольований посудину Дьюара з термоядерним пальним у вигляді рідкого дейтерію, уздовж осі якого проходила «свічка» з 239-плутонію. Дьюар, в свою чергу, був покритий шаром 238-урану вагою понад 5 метричних тонн, який в процесі вибуху випаровувався, забезпечуючи симетричне стиснення термоядерного палива. Контейнер з первинним і вторинним зарядами був поміщений в сталевий корпус 80 дюймів шириною і 244 дюйма довжиною зі стінками в 10-12 дюймів завтовшки, що було найбільшим прикладом кованого виробу до того часу. Внутрішня поверхня корпусу був вистелена листами свинцю і поліетилену для відображення випромінювання після вибуху первинного заряду і створення плазми, розігріваючої вторинний заряд. Всі пристрій важив 82 тонни. Вид пристрою незадовго до вибуху показаний на фото нижче.
Перше випробування термоядерної бомби відбулося 31 жовтня 1952 р Потужність вибуху склала 10,4 мегатонни. Аттол Еніветок, на якому він був вироблений, був повністю зруйнований. Момент вибуху показаний на фото нижче.
СРСР дає симетричну відповідь
Термоядерна першість США протрималося недовго. 12.08.1953 р на Семипалатинському полігоні була випробувана перша радянська термоядерна бомба РДС-6, розроблена під керівництвом Андрія Сахарова і Юлія Харітона.Із опису вище стає ясно, що американцями на Еніветок була підірвана, власне, не бомба, як вид готового до застосування боєприпасів, а скоріше лабораторне пристрій, громіздке і вельми недосконале. Радянські ж вчені, незважаючи на невелику потужність всього 400 кг, зазнали цілком закінчений боєприпас з термоядерним пальним у вигляді твердого дейтериду літію, а не рідкого дейтерію, як у американців. До речі, слід зазначити, що в складі дейтериду літію використовується тільки ізотоп 6Li (це пов`язано з особливостями проходження термоядерних реакцій), а в природі він знаходиться в суміші з ізотопом 7Li. Тому були побудовані спеціальні виробництва для розділення ізотопів літію та відбору тільки 6Li.
Досягнення граничної потужності
Потім пішло десятиліття безперервної гонки озброєнь, протягом якого потужність термоядерних боєприпасів безперервно зростала. Нарешті, 30.10.1961 р в СРСР над полігоном Нова Земля в повітрі на висоті близько 4 км була підірвана найпотужніша термоядерна бомба, яка коли-небудь була побудована і випробувана, відома на Заході як «Цар-бомба».
Цей триступеневий боєприпас розроблявся насправді як 101,5-мегатонн бомба, але прагнення знизити радіоактивне зараження території змусило розробників відмовитися від третього ступеня потужністю в 50 мегатонн і знизити розрахункову потужність пристрою до 51,5 мегатонн. При цьому 1,5 мегатонни становила потужність вибуху первинного атомного заряду, а друга термоядерна щабель повинна була дати ще 50. Реальна потужність вибуху склала до 58 мегатонн.Внешній вид бомби показаний на фото нижче.
Наслідки його були вражаючими. Незважаючи на досить істотну висоту вибуху в 4000 м, неймовірно яскравий вогненна куля нижнім краєм майже досяг Землі, а верхнім піднявся до висоти понад 4,5 км. Тиск нижче точки розриву було в шість разів вище пікового тиску при вибуху в Хіросімі. Спалах світла була настільки яскравою, що її було видно на відстані 1000 кілометрів, незважаючи на похмуру погоду. Один з учасників тесту побачив яскравий спалах через темні окуляри і відчув наслідки теплового імпульсу навіть на відстані 270 км. Фото моменту вибуху показано нижче.
При цьому було показано, що потужність термоядерного заряду дійсно не має обмежень. Адже досить було виконати третю сходинку, і розрахункова потужність була б досягнута. Але ж можна нарощувати число ступенів і далі, так як вага «Цар-бомби» склав не більше 27 тонн. Вид цього пристрою показаний на фото нижче.
Після цих випробувань багатьом політикам і військовим як в СРСР, так і в США стало ясно, що настав межа гонки ядерних озброєнь і її потрібно зупинити.
Сучасна Росія успадкувала ядерний арсенал СРСР. Сьогодні термоядерні бомби Росії продовжують служити стримуючим фактором для тих, хто прагне до світової гегемонії. Будемо сподіватися, що вони зіграють свою роль тільки у вигляді засобу залякування і ніколи не будуть підірвані.
Сонце як термоядерний реактор
Загальновідомо, що температура Сонця, точніше його ядра, що досягає 15000000 ° К, підтримується за рахунок безперервного протікання термоядерних реакцій. Однак все, що ми могли почерпнути з попереднього тексту, говорить про вибуховий характер таких процесів. Тоді чому Сонце не вибухає як термоядерна бомба?
Справа в тому, що при величезній частці водню в складі сонячної маси, яка досягає 71%, частка його ізотопу дейтерію, ядра якого тільки і можуть брати участь в реакції термоядерного синтезу, мізерно мала. Справа в тому, що ядра дейтерію самі утворюються в результаті злиття двох ядер водню, та не просто злиття, а з розпадом одного з протонів на нейтрон, позитрон і нейтрино (т. Зв. Бета-розпад), що є рідкісною подією. При цьому утворюються ядра дейтерію розподілені за обсягом сонячного ядра досить рівномірно. Тому при її величезних розмірах і масі окремі і рідкісні осередки термоядерних реакцій щодо невеликої потужності як би розмазані по всьому його ядру Сонця. Виділяється при цих реакціях тепла явно недостатньо, щоб миттєво випалити весь дейтерій в Сонце, але вистачає для його нагрівання до температури, що забезпечує життя на Землі.
