Огонь! Об оружии и боеприпасах

…Нейтроны играют настолько важную роль в ядерных реакциях и их практическом применении, что очевидна необходимость закрепить у читателя представления о динамике их замедления и взаимодействии с другими ядрами. Ясно, что лучше сделать это, не «пережевывая» вновь уже изложенное. К сожалению, эти частицы не вполне безопасны для человека, поэтому нельзя рекомендовать любителю изучить их свойства на установке вроде той, которая формировала кумулятивную струю из воды. Остается надежда, что делу поможет описание опыта, проведенного в годы работы молодым специалистом во НИИ авиационной автоматики. Работал автор с ускорительным источником — нейтронным генератором. Далее опишу его поподробнее, а пока важно лишь то, что формировал этот генератор импульсный нейтронный поток микросекундной длительности.

…Идея пришла неожиданно. Сопоставив длительность формируемого нейтронного импульса (менее микросекунды) и время замедления нейтронов (миллисекунды), автор понял, что, если окружить генератор замедлителем и сформировать импульс, то из замедлителя сначала выйдут нейтроны, испытавшие малое число столкновений, а значит — довольно высокоэнергетичные, потом — «потолкавшиеся подольше», подрастерявшие свою энергию, и уж затем — тепловые. Если для визуализации изображения применить электронно-оптический преобразователь (ЭОП), то, запуская его с определенной задержкой по отношению к началу нейтронного импульса, можно менять и энергию частиц, используемых для контроля. Это сулило прямо-таки революционное расширение возможностей нейтронографии: определив ход зависимостей от энергии нейтронов яркости свечения изображений различных деталей исследуемого объекта, можно идентифицировать вещество, из которого изготовлена деталь, потому что яркость пропорциональна сечению взаимодействия нейтронов (рис. 3.5), которое для каждого элемента весьма индивидуально зависит от их энергии. Причем, появлялась возможность проявления деталей из легких элементов — задача, непосильная методу рентгеновского контроля!

^{Рис. 3.5. Сечения взаимодействия некоторых ядер с нейтронами разных энергий. Для низкоэнергетичных нейтронов различия заметны и характеризуются резонансами — значительными (иногда — до трех и более порядков) скачками сечений}

После выяснения, в каких подразделениях института есть подходящее оборудование, пришлось обратился в лабораторию, занимавшуюся регистрацией гамма-излучений ядерных взрывов. Подобные подразделения считались вспомогательными, не были избалованы вниманием начальства и их руководители стремились наладить прочные связи с подразделениями «основной тематики». «Нейтронная» тематика считалась основной, поэтому меня радушно приняли и рассказали о достижениях, в частности — о системе спектроскопии гамма квантов, показали огромные монокристаллы йодида цезия в специальных контейнерах и фотоэлектронные умножители, регистрирующие вспышки в кристаллах, порожденные гамма квантами. Подобное было памятно еще по институтским лабораторным работам, но здесь уровень аппаратуры был куда более высок, а контейнеры с самыми большими монокристаллами можно было поднять лишь обеими руками. Я вспомнил о существовании таких монокристаллов десятилетие спустя, а тогда стал задавать вопросы об ЭОПах. Оказалось, что и они имелись.

Настал и мой черед рассказать о задаче. Тут лица собеседников вытянулись от разочарования: тематика хотя и была «нейтронной», но не оружейной, а значит — не главной. Аппаратуру дать взаймы отказались, но компромисс был достигнут: разрешили, чтобы с ней работал их техник, «а уж вы с ним сами договоритесь». «Договаривались» в таких ситуациях при помощи спирта. Техник оказался веселым и знающим малым, наладив аппаратуру и получив, что причиталось, он заходил потом лишь изредка, проверяя только наличие всех приборов.

Технологические возможности института позволили изготовить конвертер (преобразователь нейтронного излучения в световое), смешав бор, сульфид цинка и «связав» смесь полиэтиленом. При захвате нейтронов ядрами бора получались альфа-частицы, которые и вызывали вспышки света в сульфиде цинка.

Вскоре начались плановые испытания генераторов на полный ресурс. «Гоняя» генераторы, попутно облучали патрон и не минуту, не час, а почти неделю! Результаты не радовали: на экране виделись лишь отдельные вспышки. Чтобы не подвергать риску быть «экспроприированным» фотоаппарат, срочно изготовили из фанеры кассету, прижимавшую к экрану кусок аэрофотопленки. И результат был получен: пленки, экспонированные при задержке запуска ЭОПа и без нее заметно отличались, что свидетельствовало об изменении средней энергии нейтронов, на которых велся контроль (рис. 3.6)! Низкоэнергетичные нейтроны позволили обнаружить и порох, что было недоступно для нейтронов быстрых, а уж тем более — для рентгена. Неважно, что изображения были получены после недельного коллекционирования отдельных вспышек! Неважно, что компоненты конвертера оказались смешанными явно неравномерно! Главное — работал принцип!. А если так, то, применив более мощный источник нейтронов (например — импульсный реактор), можно было, лишь «просветив» предмет снаружи, узнать не только его устройство, но и изотопный состав любой его детали по выбору: достаточно было укрепить на ее изображении фотоэлемент и получить зависимость его показаний от величины задержки запуска ЭОПа (а значит — и от энергий нейтронов). Ясно, что тут требовались сложные расчеты эффективности конвертера для нейтронов разных энергий, экранирования одного материала другим, по все эго было под силу ЭВМ, только входившим тогда в обиход научных учреждений…

^{Рис. 3.6. Нейтронограммы патрона, полученные на нейтронах разных энергий (при задержке запуска электронно-оптического преобразователя относительно нейтронного импульса и без нее). На верхней нейтронограмме, полученной без задержки запуска — на быстрых нейтронах — различимы только металлические детали. Медленные нейтроны дают возможность обнаружить, и заряд пороха, состоящего их «легких» элементов (азота, углерода, водорода, кислорода)}

…В НИИ авиационной автоматики (НИИАА, позднее — ВНИИА) автор попал по распределению — для выполнения дипломной работы. Чтобы понять принципы действия «авиационной автоматики», вернемся к нашим сборкам.

Ранее упоминался U²³⁵, но ключевую роль во многих областях это вещество уступило плутонию — 239. Плутоний получают в реакторах, облучая «очищенный» от 235-го изотопа уран мощными нейтронными потоками. Далее следуют ядерные превращения, в результате в облученных «блочках» остается плутоний, который отличается от урана валентностью, что допускает его отделение химическими методами, но все равно стоит плутоний примерно в шесть раз дороже U²³⁵. Однако стоимость уступает по значению другим свойствам плутония. При делении ядро Pu²³⁹ испускает в среднем 2,895 нейтрона — больше, чем U²³⁵ (2,452). К тому же, в плутонии ниже сечения нейтронных реакций не вызывающих деления. Все это приводит к тому, что уединенный шар Pu²³⁹ становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар U²³⁵, а главное — при меньшем радиусе, что очень важно, поскольку позволяет снизить габариты критической сборки.

Впрочем, еще один изотоп урана — «двести тридцать третий» — позволяет достичь критичности при массе сборок еще меньшей, чем в случае плутония, правда, ненамного. И получают его при облучении нейтронами тория, которого в земной коре содержится втрое больше, чем урана. Но U²³³ не вытеснил плутоний: уж очень интенсивно испускает гамма кванты сопутствующий ему изотоп с массовым числом 232, отделить который химически, как мы знаем, невозможно, а «отцеживать» в бесчисленных ступенях разделения — очень накладно. Брать в руки U²³³ — «чревато».

Известны и другие делящиеся изотопы. В 60-х годах из них грозились сделать «атомные пули»[20], но, когда их действительно выделили в осязаемых количествах и исследовали, оказалось, что существенных «оружейных» преимуществ перед плутонием они не имеют, а вот по стоимости — превосходят на порядки.

Итак, поверхность сборки (рис. 3.7), содержащей плутоний («черная сердцевина»), искусственно увеличивали, выполняя ее в форме шарового слоя (полой внутри) и заведомо подкритичной, даже — и для тепловых нейтронов, даже — и после окружения ее замедлителем (слой желтоватого цвета). Любителям испускать по каждому поводу гнусавые вопли о поругании секретности, сразу замечу, что эта схема описана Фиттером еще в конце пятидесятых. Плутониевую «сердцевину» всегда собирали из двух тщательно подогнанных половинок, разделять ее на «дольки апельсина», приходило в голову разве что журналистам.