Термоя́дерное ору́жие (водоро́дная бо́мба) — вид ядерного оружия, разрушительная сила которого основана на использовании энергии реакции ядерного синтеза лёгких элементов в более тяжёлые (например, синтеза одного ядра атома гелия из двух ядер атомов дейтерия), при которой выделяется энергия.
Имея те же поражающие факторы, что и у ядерного оружия, термоядерное оружие имеет намного бо́льшую возможную мощность взрыва (теоретически, она ограничена только количеством имеющихся в наличии компонентов). Часто упоминаемое утверждение о том, что радиоактивное заражение от термоядерного взрыва гораздо слабее, чем от атомного, касается реакций синтеза, которые используются только совместно с гораздо более «грязными» реакциями деления. Термин «чистое оружие», появившийся в англоязычной литературе, к концу 1970-х годов вышел из употребления. На деле всё зависит от выбранного типа реакции, используемой в том или ином изделии. Так, включение в термоядерный заряд элементов из урана-238 (при этом используемый уран-238 делится под действием быстрых нейтронов и даёт радиоактивные осколки; сами нейтроны производят наведённую радиоактивность) позволяет намного (до пяти раз) повысить общую мощность взрыва и значительно (в 5—10 раз) увеличивает количество радиоактивных осадковЛоуренс У. Л. Люди и атомы. — М.: Атомиздат, 1967, с. 207..
Описание Термоядерное взрывное устройство может быть построено как с использованием жидкого дейтерия, так и газообразного сжатого. Но появление термоядерного оружия стало возможным только благодаря разновидности гидрида лития — дейтериду лития-6 (6Li 2H). Это соединение тяжёлого изотопа водорода — дейтерия и изотопа лития с массовым числом 6.
Дейтерид лития-6 — твёрдое вещество, которое позволяет хранить дейтерий (обычное состояние которого в нормальных условиях — газ) при обычных условиях, и, кроме того, второй его компонент — литий-6 — это сырьё для получения самого дефицитного изотопа водорода — трития. Собственно, 6Li — единственный промышленный источник получения трития:
Эта же реакция происходит и в дейтериде лития-6 в термоядерном устройстве при облучении быстрыми нейтронами; выделяющаяся при этом энергия составляет . Образовавшийся тритий (3H) далее вступает в реакцию с дейтерием (2H), выделяя энергию :
причём образуется нейтрон с кинетической энергией не менее , который может вновь инициировать первую реакцию на ещё одном ядре лития-6 либо вызвать деление тяжёлых ядер урана или плутония в оболочке или активаторе с испусканием ещё нескольких быстрых нейтронов.
В ранних термоядерных боеприпасах США использовался также и дейтерид природного лития, содержащего в основном изотоп лития с массовым числом 7. Он также служит источником трития, но для этого нейтроны, участвующие в реакции, должны иметь энергию 10 МэВ и выше: реакция является эндотермической, поглощающей энергию.
Термоядерная бомба, действующая по принципу Теллера — Улама, состоит из двух ступеней: активатора и контейнера с термоядерным горючим.
Активатор — это небольшой плутониевый ядерный заряд с усилением () мощностью в несколько килотонн. Назначение активатора — создать необходимые условия для инициирования термоядерной реакции — высокую температуру и давление.
Контейнер с термоядерным горючим — основной элемент бомбы. Внутри него находится термоядерное горючее — дейтерид лития-6 — и расположенный по оси контейнера плутониевый стержень, играющий роль запала термоядерной реакции. Оболочка контейнера может быть изготовлена как из урана-238 — вещества, расщепляющегося под воздействием быстрых нейтронов (>0,5 МэВ), выделяющихся при реакции синтеза, так и из свинца. Контейнер покрывается слоем нейтронного поглотителя (соединений бора) для защиты термоядерного топлива от преждевременного разогрева потоками нейтронов после взрыва активатора.
Расположенные соосно активатор и контейнер заливаются специальным пластиком, проводящим излучение от активатора к контейнеру, и помещаются в корпус бомбы, изготовленный из стали или алюминия.
Возможен вариант, когда вторая ступень делается не в виде цилиндра, а в виде сферы. Принцип действия тот же, но вместо плутониевого запального стержня используется плутониевая полая сфера, находящаяся внутри и перемежающаяся со слоями дейтерида лития-6 (так называемая «слойка»). Подобная схема водородной бомбы применялась на ранних советских конструкциях, включая так называемую Царь-бомбу.
При взрыве активатора 80 % энергии выделяется в виде мощного импульса мягкого рентгеновского излучения, которое поглощается оболочкой второй ступени и пластиковым наполнителем, который превращается в высокотемпературную плазму под большим давлением. В результате резкого нагрева урановой/свинцовой оболочки, происходит абляция вещества оболочки и появляется реактивная тяга, которая вместе с давлениями света и плазмы обжимает вторую ступень. При этом её объём уменьшается в несколько тысяч раз, и термоядерное топливо нагревается до огромных температур. Однако давление и температура ещё недостаточны для запуска термоядерной реакции, создание необходимых условий обеспечивает плутониевый стержень, который в результате сжатия переходит в надкритическое состояние — начинается ядерная реакция внутри контейнера. Испускаемые плутониевым стержнем в результате деления ядер плутония нейтроны взаимодействуют с ядрами лития-6, в результате чего получается тритий, который далее взаимодействует с дейтерием. Все реакции протекают настолько быстро, что воспринимаются как мгновенные.
Если оболочка контейнера была изготовлена из природного урана, то быстрые нейтроны, образующиеся в результате реакции синтеза, вызывают в ней реакции деления атомов урана-238, добавляющие свою энергию в общую энергию взрыва. Подобным образом создаётся термоядерный взрыв практически неограниченной мощности, так как за оболочкой контейнера могут располагаться ещё другие слои дейтерида лития и слои урана-238 (слойка).
В США и СССР вначале (до 1951 года) разрабатывался вариант «классической супербомбы», представлявшей собой цилиндрический контейнер с жидким дейтерием (или со смесью дейтерия и трития). Однако при такой конструкции температура при взрыве атомной бомбы оказывается недостаточной для инициации самоподдерживающейся реакции синтеза, происходит быстрое охлаждение всей системы и термоядерная реакция затухает. Поэтому ключевой явилась идея о сжатии дейтерия или дейтерий-тритиевой смеси (необходимы давления в десятки млн атмосфер).
Были осуществлены две конструкции термоядерного оружия: однофазная (однокамерная, одноступенчатая), в которой делящаяся и термоядерная взрывчатки размещены в одном блоке. Была реализована впервые в 1953 году в СССР в виде так называемой «слойки» Сахарова (РДС-6с). Энергетический выход однофазной бомбы не может превысить 1 мегатонны ТНТ, так как в одной камере нельзя удержать до полного энерговыделения большое количество взрывчатки. Самый мощный в истории однофазный термоядерный боеприпас (британское испытание Orange Herald в 1957 году) достиг мощности 720 кт. двухфазная (двухкамерная или многоступенчатая), в которой делящаяся и термоядерная взрывчатки размещены в различных блоках (отсеках). Впервые была реализована в США по схеме Теллера — Улама и в боевом варианте была испытана в 1954 году (испытания Касл Браво).
Виды боеприпасов Термоядерные заряды существуют как в виде авиационных бомб (свободного падения), так и в виде боевых блоков для баллистических и крылатых ракет, зарядных отделений торпед, глубинных и донных мин.
История Работа над созданием термоядерного оружия началась в 1946 году в США. Это было связано с тем, что мощность ядерного заряда, работающего только на принципе деления ядер, ограничивается десятками килотонн ТНТ. Увеличение массы делящегося вещества не решает проблему, так как бо́льшая часть делящегося вещества не успевает прореагировать. Поэтому гонка вооружений поставила задачу создания более мощного ядерного оружия, которое бы использовало энергию ядерного синтеза.
1 ноября 1952 года США взорвали первый в мире водородный заряд по схеме Теллера-Улама на атолле Эниветок.
12 августа 1953 года в 7 ч 30 мин в СССР на Семипалатинском полигоне была взорвана первая в СССР бомба с термоядерным усилением (т. н. boosted bomb) по схеме «слойка» и изготовленная в виде авиационной бомбы — РДС-6с.. Оцениваемый выход энергии составил около 400 кт, с долей термоядерного синтеза около 20 %РДС-6с(в отличие от схемы Теллера-Улама, где эта доля может достигать 97 %).
Физик-ядерщик Юрий Трутнев так описал историю создания советского термоядерного оружия: С чего все началось? После того, как был сделан и испытан в 1949 году первый советский атомный заряд, и американцы, и наша страна начали разрабатывать термоядерные заряды. 12 августа 1953 года был испытан наш заряд, так называемая слойка, конструкция которой — атомный заряд, окруженный слоями термоядерного "горючего" и урана-238 — была предложена Андреем Сахаровым. Но это не был термоядерный заряд в современном понимании. Дело в том, что заряд можно считать термоядерным, если больше половины энергии при его взрыве выделяется за счет термоядерных реакций слияния ядер изотопов водорода — дейтерия и трития, а не за счет реакций деления ядер урана или плутония. С этой точки зрения "слойка Сахарова" была атомным зарядом с так называемым термоядерным усилением, дававшим поток нейтронов, которые способствовали делению ядер урана-238. Это позволило повысить мощность заряда до 400 килотонн. Для сравнения, первый наш атомный заряд дал около 20 килотонн.
Перед нами стояла задача повысить мощность заряда до мегатонного уровня. Но в какой-то момент стало ясно, что в силу особенностей конструкции "слойки" этого не добиться...
...Надо было придумать, как эффективно сжимать большие количества термоядерного "горючего" — дейтерида лития-6. Ведь термоядерные реакции идут при колоссальных температурах и давлениях. Так вот, обычные взрывчатые вещества для обеспечения нужного сжатия, или как мы называем имплозии, не годились.
Использовать для этого энергию взрыва атомных зарядов впервые предложил Авраамий Завенягин — один из руководителей нашей атомной отрасли в то время. Он сказал — возьмите термоядерный заряд, обложите его кругом атомными зарядами, одновременно взорвите их, они его и обожмут. И вот это было еще, конечно, не решение проблемы, но намек на то, что делать. Эту идею потом развил наш теоретик Виктор Давиденко. Фактически он предложил схему так называемого двухступенчатого заряда — кожух, в котором находились пространственно разделенные атомный и термоядерный узлы. Энергия взрыва первичной атомной ступени использовалась бы для зажигания термоядерных реакций во вторичной ступени. У наших выдающихся специалистов Якова Зельдовича и Андрея Сахарова были большие надежды на эту схему так называемой ядерной имплозии...
...Я много занимался теорией КПД атомных зарядов. Я знал, что при их взрыве очень много энергии выходит в виде рентгеновского излучения. И я начал подумывать о том, как бы сделать так, чтобы термоядерный заряд обложить легким веществом — "обмазкой", это могут быть химические элементы с малым номером, имеющие очень хорошую теплопроводность, и с помощью рентгеновского излучения от взрыва первичного атомного заряда "обмазку" нагреть. При этом ее вещество испарялось бы наружу, навстречу излучению, а в результате, как при движении ракеты, создавался бы реактивный импульс, направленный внутрь вторичного заряда и создающий давление, нужное для эффективного сжатия термоядерного "горючего".
Но как было обеспечить равномерное, симметричное воздействие излучения на сферическую поверхность термоядерного заряда с "обмазкой"? Тут я застрял.
И вот в некий момент весной 1954 года из Москвы приезжает Зельдович и говорит: "Знаю, что делать! Давайте будем выпускать излучение вот так". И тут же нарисовал схему, каким образом можно реализовать принцип радиационной имплозии. И я сразу понял, что моя идея пригодна для этого.