Одним из следствий разработки ядерного оружия стало рождение совершенно новой области науки - физики высоких плотностей энергии, изучающей вещество, помещенное в экстремальные условия. В отличие от ядерной физики, азы которой довольно быстро попали даже в школьные учебники (действительно, кто не знает, что бомба взрывается, когда соединяют половинки критической массы урана), львиная доля работ по этой тематике имела гриф `совершенно секретно`. Поэтому ее бурное развитие в годы холодной войны по обе стороны Атлантики прошло для популяризаторов совершенно незамеченным.
Впрочем, сами специалисты заочно знали и ценили друг друга. Когда в 1969 году в США проходила одна из первых конференций по физике высоких плотностей энергии, отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер выразил сожаление, что в зале нет двух человек - Якова Зельдовича и Льва Альтшулера, которые сделали для новой науки, вероятно, больше всего. Если блестящий теоретик Зельдович был широко известен благодаря большому количеству `гражданских` работ (такому большому, что на Западе его фамилию долгое время считали псевдонимом, за которым скрывается целый коллектив первоклассных исследователей), то возможность что-то услышать о секретном экспериментаторе Альтшулере появилась только с начала 90-х.
Выпускник физфака МГУ Лев Владимирович Альтшулер родился в 1913 году. После отзыва из действующей армии в 1942 году защитил кандидатскую диссертацию по скоростному рентгеноструктурному анализу. С 1946-го по 1969 год разрабатывал советское ядерное оружие в Арзамасе-16, сегодня является главным научным сотрудником Института высоких температур РАН. О некоторых особенностях советского атомного проекта и связанной с ними истории развития физики высоких плотностей энергии Лев Владимирович любезно согласился рассказать `Эксперту`.
- Лев Владимирович, насколько я знаю, до того, как вас пригласили участвовать в атомном проекте, вы занимались рентгеновской съемкой быстропротекающих процессов.
- В лаборатории Института машиноведения Академии наук, которой руководил замечательный экспериментатор В. А. Цукерман, сыгравший затем большую роль в атомном проекте, в сороковых годах был разработан метод импульсной рентгенографии. Мы изучали с его помощью казавшийся тогда таинственным механизм действия фаустпатрона, успешно применявшегося немцами против наших танков. Были самые фантастические предположения о том, каким образом эти снаряды, подлетая с небольшой скоростью, пробивают броню толщиной десять-двадцать сантиметров. С помощью импульсных рентгеновских вспышек удалось получить снимки, на которых было видно, что при попадании в танк фаустпатроны формируют кумулятивную струю с космическими скоростями (до пятнадцати километров в секунду), струя и пробивала броню.
- Когда вас привлекли к участию в атомном проекте?
- В сорок шестом году в нашу лабораторию пришел Юлий Борисович Харитон и спросил: `Можете ли вы применить вашу методику в решении проблем, связанных с производством собственной атомной бомбы?` Речь шла об определении методами импульсной рентгенографии плотности и других характеристик металлического шарика, вложенного в сферический заряд из обычного взрывчатого вещества, в момент взрыва этого заряда `вовнутрь`. Из разведданных советских шпионов в США и наших собственных расчетов (их Харитон и Зельдович опубликовали еще до войны) было известно: для того чтобы произошла цепная реакция, нужно достаточно быстро перевести шарик из делящегося материала в надкритическое состояние, например, быстро и сильно сжать его. Для этого и применялась имплозия (`взрыв вовнутрь`), при которой с помощью системы специальных линз расходящиеся взрывные волны преобразовывались в сходящуюся сферически симметричную ударную волну, резко сжимающую шарик.
Мы рассматривали два варианта. В первом искусно сделанный пористый уран с пониженной плотностью (пятнадцать с половиной граммов на кубический сантиметр) окружался слоем взрывчатого вещества, а взрывчатое вещество было окружено фокусирующей системой. При взрыве уран сжимался до надкритической плотности, и начиналась ядерная реакция. Как я позже узнал, этот вариант был точной копией американского `Толстяка`, уничтожившего Нагасаки. Второй, более эффективный вариант, работа над которым велась параллельно, был нашей оригинальной разработкой.
- В чем ее ключевая идея?
- Понимаете, перевести вещество в надкритическое состояние можно и сжатием его до надкритической плотности, и сближением его частей для получения надкритической массы. Мы решили проводить сжатие и сближение одновременно. По шарику из непористого плутония ударяли две стремительно сближающиеся (со скоростью два с половиной километра в секунду) урановые полусферы. Происходило сближение двух делящихся материалов - урана и плутония, которые вместе имели надкритическую массу, а потом - сжатие под влиянием удара. Из-за двойного эффекта к моменту, когда ударная волна доходила до центра, происходил более быстрый, чем в первом варианте, переход через критическое состояние и, следовательно, более мощный взрыв. Нужно отметить и то, что в отличие от американской схемы имплозии, в которой применялись два слоя разных взрывчаток, в нашем варианте удалось обойтись одним, была придумана и облегченная фокусирующая система (новый способ имплозии разработал В. М. Некрутин), что сделало бомбу более компактной и легкой. Наша оригинальная бомба, в два раза более мощная и легкая, чем американская, была успешно испытана в пятьдесят первом году, хотя ее конструкция была понятна еще в сорок восьмом. А в сорок девятом испытывали американский вариант, чтобы подстраховаться, так как было точно известно, что он взорвется.
- Каким давлениям подвергался плутониевый шарик в центре бомбы?
- До нескольких мегабар, или нескольких миллионов атмосфер.
- Если оставить за скобками военно-политический аспект, это был настоящий прорыв в физике?
- Да, конечно. По сути, с атомной бомбы началось бурное развитие физики высоких плотностей энергии, изучающей экстремальные состояния материи при очень высоких плотностях и температурах. Не только наука служила обороне, но и оборона, широко и эффективно, - науке. Мы исследовали не только делящиеся материалы уран и плутоний, но и примерно половину элементов Периодической системы Менделеева. Особое внимание привлекли редкоземельные и щелочноземельные элементы. При приложении давления к этим веществам происходит любопытное явление: переход электронов с внешних на незаполненные внутренние оболочки, образуются сжатые электронные упаковки, которые в нормальных условиях существовать не могут. Американцы, кстати, получили похожие результаты, но позже. Их статья шестьдесят восьмого года начинается со слов, что `когда наша работа была уже in progress, мы обнаружили советские публикации, в которых был зафиксирован тот же эффект`.
- Мы все время обгоняли американцев после сорок девятого?
- В сорок восьмом году мы разработали систему, которая позволяла получать сходящиеся волны большой интенсивности. Еще через десять лет нам разрешили частично опубликовать наши результаты по сжимаемости урана и еще семь материалов до пяти мегабар. А американцы в то же время опубликовали данные только для пяти десятых мегабара. Уже в восемьдесят восьмом году западные ученые писали, что советским физикам удалось достичь в никеле и меди ударных давлений десять мегабар на неизвестных измерительных устройствах, и пока эти результаты никем не превзойдены.
- Как вам удалось достичь такого большого давления? И почему за океаном от нас отстали?
- Ну, видите ли, в технических деталях об этом не стоит говорить даже сегодня. А в общих чертах идея была та же, что и в атомной бомбе: берутся сферические слои взрывчатых веществ, которые образуют при взрыве сходящуюся ударную волну. При этом использовался предложенный Е. И. Забабахиным метод каскадного разгона, что привело потом к созданию серии более совершенных атомных зарядов. Американцы шли другим путем - легкогазовые пушки выстреливали двумя кусками делящихся материалов навстречу друг другу, но при столкновении им удавалось достичь максимальных давлений всего в несколько мегабар. Я думал, что после того, как мы опубликовали наши данные, потоком пойдут американские исследования в этих и еще больших диапазонах давлений. Но когда в девяностом году меня пригласили в Ливермор и все показали, оказалось, что они нас так и не догнали. На мой недоуменный вопрос американские коллеги ответили: `Мы слишком доверяли теории`. А в этой области заранее все рассчитать невозможно, нужен лабораторный эксперимент, и история атомного проекта свидетельствует об этом особенно красноречиво. На высоких совещаниях теоретики мрачно шутили о способах расчета атомных бомб: `Мы их рассчитываем в двух вариантах: вариант К взят с потолка, а вариант Д найден в бороде` (Бородой, вы знаете, звали Курчатова). (Вариант К предполагал сильную, а Д - слабую сжимаемость делящихся материалов под действием имплозии. - `Эксперт`.) И вот поэтому очень существенны были наши опыты, которые позволяли определить, как на самом деле ударно сжимаются плутоний и уран при нескольких мегабарах, и исключить теоретическую неопределенность.
- Какой вариант - К или Д - в конце концов был применен?
- Тот, который отвечал результатам эксперимента. Вообще, надо сказать, что наш метод получения динамической информации на взрывных системах и американский дают аналогичные результаты, но преимущество у нас - мы их сильно опередили по амплитудам. Максимальные амплитуды, которые получены нами во взрывных лабораторных системах, это тринадцать мегабар для золота и восемнадцать мегабар для урана.
- Наверное, самые фантастические возможности для экспериментов по сжимаемости веществ представляются не в лаборатории, а на полигоне, при взрыве бомбы?
-Классик физического эксперимента Бриджмен еще задолго до атомной бомбы писал, что наибольшие давления могут быть получены не с помощью этих вот пневматических разгонных устройств, которыми увлеклись американцы, а с помощью динамических методов. Возможно, пророчески продолжает Бриджмен, некоторые удачливые экспериментаторы используют для этого даже подземные взрывы. Я думаю, сегодня уже можно сказать, что такими удачливыми экспериментаторами впервые оказалась группа сотрудников из моей лаборатории, которые проводили измерение сжимаемости, используя подземный ядерный взрыв. На расстоянии пяти-десяти метров от эпицентра взрыва атомной, а еще лучше, водородной бомбы устанавливаются образцы вещества и датчики. Это позволило определить сжимаемость многих элементов в диапазоне до ста мегабар. Нашим сотрудникам удалось, например, зафиксировать сжимаемость железа при ста пяти мегабарах.
- А сейчас существует точная теория процессов, происходящих с веществом при таких давлениях, или все равно нужны дальнейшие эксперименты?
- Есть такие, я бы сказал, полуэмпирические теории как для металлов, так и для ионных кристаллов. Имеются несколько теорий внешне более точных, учитывающих оболочечную структуру атома, но они противоречат экспериментам. Как, например, применить волновую квантовую теорию, если в сжатом до сверхвысоких давлений веществе волновые функции атомов перекрываются?
- Наверное, и атомную бомбу сегодня, владея только чистой теорией, сделать нельзя?
- Вроде бы все известно: возьмите определенное количество урана и плутония, доведите их почти до надкритического состояния, а потом с избытком увеличьте и массу, и плотность. Но вот насколько и как? Этого вы точно не посчитаете.
`Эксперт` , 23.08.1999
http://nvolgatrade.ru/
