Малыш и Толстяк

6 и 9 августа 1945 года были совершены атомные бомбардировки двух японских городов: Хиросимы и Нагасаки. Они были совершены ВВС США с согласия Великобритании в рамках Квебекского Соглашения в конце Второй Мировой войны для ускорения капитуляции Японии. Две бомбы, унесшие жизни как минимум 129.000 людей, остаются единственным примером использования ядерного оружия в истории человечества.

В рамках данной статьи описана конструкция и принцип действия этих бомб.

Вначале стоит вкратце описать принцип работы атомной бомбы. Действие ядерного боеприпаса основано на использовании энергии лавинообразно протекающей ядерной цепной реакции деления тяжелых ядер.

Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся ядерная реакция, в которую вовлекается цепь ядер. Она возникает в случае, когда один из продуктов реакции вступает в реакцию с другим ядром, продукт второй реакции реагирует со следующим ядром и т.д. Возникает последовательность следующих друг за другом ядерных реакций. Ядерная реакция деления, используемая в атомном оружии, вызываемая нейтроном. Продуктом деления являются два более лёгких ядра (осколка) и 2-3 нейтрона. Эти нейтроны являются причиной деления других ядер с появлением новых нейтронов, также способных осуществить деление, и так далее. 

Получается, что каждый цикл ядерной реакции создаёт условия для следующего цикла, и реакция может стать самоподдерживающейся. При этом на каждом цикле выделяется ядерная энергия, равная дефекту масс исходного ядра и ядер осколков. То есть сумма масс образовавшихся ядер меньше массы исходного ядра (их разница и называется «дефектом»), которая, по знаменитой формуле Е=mc2, и ответственна за высокую энергетику реакции. Если количество ядер, вовлекаемых в следующий цикл, больше предыдущего, то реакция проходит лавинообразно – происходит ядерный взрыв.

Первая атомная бомба имела кодовое название «Малыш» («LittleBoy»). Она была разработана в рамках Манхэттенского проекта и сброшена на Хиросиму 6 августа 1945 года бомбардировщиком BoingB-29 «EnolaGay» пилотом Полом Тиббетсом.

Малыш имел трехметровую длину, был 71 см в диаметре и весил 4 тонны. Бомба была основана на уране, добытом в Конго, Канаде (Большое Медвежье озеро) и США (Колорадо).

«Малыш» был бомбой пушечного типа – архаичная конструкция по сегодняшним меркам. Однако, она проста в изготовлении и очень надежна. Надежна настолько, что ее точные чертежи всё ещё засекречены). Однако, бомбы такого типа имеют низкий коэффициент полезного действия.

 У ядерного топлива есть такой параметр, как критическая масса: ниже нее уран только радиоактивен, а выше - взрывается. В целом, для возникновения цепной ядерной реакции, то есть взрыва, необходимо объединить два куска радиоактивного топлива с докритической массой в один, масса которого в сумме уже будет больше критической. В таком случае возникают необходимые условия для протекания цепной ядерной реакции.

В «Малыше» эта задача была решена следующим образом: основная деталь бомбы - обрезанный ствол флотской пушки, на дульном конце которого находились мишень в виде уранового цилиндра и бериллий - полониевый инициатор. В противоположной части ствола - порох и снаряд из карбида вольфрама. К верхней части снаряда была прикреплена урановая труба. Для создания бомбы ствол морского орудия калибра 16,4 см был укорочен до 1,8. Выстрел из этой «пушки» соединял трубу и цилиндр, общая масса которых уже была сверхкритической. В то же время инициатор сжимался, сильно увеличивая свой поток нейтронов, что значительно ускоряло ядерную реакцию. 

Бомба содержала 64 кг высокообогащенного урана, из них только 700 г (1%) непосредственно участвовало в цепной ядерной реакции (остальные ядра были размётаны взрывом и не успели поучаствовать в реакции). Дефект массы составил примерно 600 мг, превратившись в энергию, эквивалентную 13 - 18 тыс. т тротила.

Стоит отметить, что взрыватели в «Малыша» вставляли через 15 минут после взлета прямо в бомбоотсеке самолёта, для минимизации опасности неудачного взлета. При этом была большая вероятность, что она может сработать еще до того, как бомбардировщик прилетит на место назначения.

 Вторая атомная бомба имела кодовое название «Толстяк» («Fat Man»). Она также была разработана в рамках Манхэттенского проекта и сброшена на Нагасаки 9 августа 1945 года бомбардировщиком Boing B-29 «Bockscar» пилотом Чарльзом Суини.

В отличие от уранового «Малыша», «Толстяк» был плутониевым и имел так называемую имплозивную схему подрыва. Устройство подрыва имело название «Gadget» («Штука»).

Конструкция бомбы включала в себя плутониевое ядро массой около 6 кг, окруженное массивной урановой оболочкой - тампером. Тампер, в первую очередь, служил для сдерживания ядра, раздувавшегося в ходе ядерной реакции, чтобы большая часть плутония успела прореагировать. Тампер также был окружен алюминиевой оболочкой - она обеспечивала равномерность сжатия заряда ударной волной, в то же время предохраняя внутренние части бомбы от контакта со взрывчаткой и раскалёнными продуктами распада. 

Кроме прочего, в «Толстяке» присутствовал «ёжик» - нейтронный инициатор, представлявший собой шарик из бериллия 2 см в диаметре, покрытый тонким слоем полония. «Ёжик» находился внутри полого плутониевого ядра. Этот инициатор являлся первичным источником нейтронов для ядерной реакции. Он срабатывал в момент перехода заряда в сверхкритическое состояние. Взрывной волной простой взрывчатки ядра полония и бериллия в «ёжике» сближаются, что провоцирует увеличение потока испускаемых нейтронов. После чего они пролетают через основной заряд, провоцируя цепную ядерную реакцию в плутонии. 

Такая схема, однако, считается малоэффективной и плохо управляемой.