Водородная и атомная бомба: в чём разница

Атомная бомба получает энергию, расщепляя тяжёлые атомы. Водородная получает основную её часть, сливая лёгкие, и чтобы начать, ей нужна атомная бомба внутри. Это короткий ответ. Практическая разница в мощности: две бомбы, применённые в 1945 году, дали 15 и 21 килотонну, а первая водородная, испытанная семь лет спустя, дала 10 400 килотонн.

Атомная бомба (деление)Водородная бомба (термоядерная)
РеакцияЦепная реакция деления тяжёлых ядерСинтез лёгких ядер плюс много деления
ГорючееУран-235 или плутоний-239Дейтерид лития и тритий, с атомным запалом
Как запускаетсяОбычная взрывчатка собирает критическую массуАтомный заряд (первичный узел) поджигает термоядерную ступень
Типичная мощностьОт 1 до десятков килотонн; крупнейшее испытание 500 ктОт сотен килотонн до мегатонн; испытано 50 Мт
Первое испытание«Тринити», июль 1945Ivy Mike, ноябрь 1952
Применение в войнеХиросима и НагасакиНе было
Атомная бомба «Малыш» на транспортной тележке
«Малыш», урановая бомба пушечного типа, сброшенная на Хиросиму. Длина три метра, масса около 4,4 тонны, мощность 15 килотонн. Фото: US Department of Energy

Деление и синтез

Когда нейтрон попадает в ядро урана-235 или плутония-239, ядро раскалывается на два более лёгких осколка и выбрасывает два-три новых нейтрона. Если материала достаточно и он собран плотно, эти нейтроны раскалывают новые ядра, и число делений удваивается примерно каждую сотую долю микросекунды. Весь выброс энергии занимает меньше миллионной доли секунды.

Синтез идёт в обратную сторону. Ядра тяжёлого водорода, дейтерия и трития, сжимаются в гелий, и потерянная при этом масса превращается в энергию. В пересчёте на килограмм синтез дейтерия с тритием даёт примерно вчетверо больше энергии, чем деление урана. Сложность в температуре: нужны десятки миллионов градусов, а никакая химическая взрывчатка такой не даёт.

Схема деления и синтеза ядер
Деление раскалывает одно тяжёлое ядро, синтез соединяет два лёгких. В обоих случаях малая часть массы превращается в большое количество энергии.

Зачем водородной бомбе атомная

Нужный для синтеза жар на практике может дать только взрыв деления. В двухступенчатой схеме, которую в 1951 году придумали Эдвард Теллер и Станислав Улам, первым срабатывает атомный заряд, первичный узел. Его рентгеновское излучение со скоростью света заполняет корпус и обжимает вторую ступень раньше, чем взрыв успеет разнести конструкцию. Сжатое горючее воспламеняется.

Вторичный узел заключён в урановую оболочку, и поток быстрых нейтронов от синтеза расщепляет и этот уран. Во многих термоядерных зарядах на последнюю стадию деления приходится около половины всей мощности. Так что название «водородная бомба» верно лишь наполовину: это бомба деления, синтеза и снова деления.

Схема двухступенчатого термоядерного заряда
Двухступенчатая схема: первичный узел с одного края, термоядерный вторичный с другого, внутри корпуса, который направляет рентгеновское излучение.

С 1945 по 1952 год

Атомная бомба была детищем Манхэттенского проекта военных лет. Хиросиму уничтожила урановая бомба пушечной схемы, ни разу до того не испытанная, Нагасаки — плутониевая имплозивная, такая же, как устройство «Тринити». После войны атомные бомбы быстро росли, но упёрлись в потолок: чем больше делящегося вещества в одном заряде, тем труднее не дать ему среагировать раньше времени. Самая мощная из испытанных чистых бомб деления, Ivy King, в 1952 году дала 500 килотонн.

За две недели до неё США испытали Ivy Mike, 74-тонную установку с охлаждением, заправленную жидким дейтерием. Она дала 10,4 мегатонны и стёрла с карты остров. Через два года жидкое горючее заменил твёрдый дейтерид лития, и водородная бомба поместилась в самолёт. Настоящий советский двухступенчатый заряд появился в 1955 году, британский в 1957-м, китайский в 1967-м, французский в 1968-м.

Термоядерное устройство Ivy Mike в испытательном здании
Устройство Ivy Mike по прозвищу «Сосиска» перед испытанием на атолле Эниветок в 1952 году. Его горючее приходилось держать при минус 250 °C. Фото: US Department of Energy

Что стоит в арсеналах сегодня

Почти все стратегические боеголовки США, России, Великобритании, Франции и Китая термоядерные. Кроме чистой мощности, у схемы есть ещё одно достоинство, эффективность. Современная двухступенчатая боеголовка массой несколько сотен килограммов даёт несколько сотен килотонн, и одна ракета может нести несколько таких. Чисто атомные заряды остаются отправной точкой для новых ядерных государств, а первичные узлы современных боеголовок сами являются атомными зарядами, усиленными небольшой порцией дейтерий-тритиевой смеси.

Мощность известных атомных и термоядерных взрывов
Известные атомные и термоядерные взрывы на одной шкале. Каждое деление оси в десять раз больше предыдущего.

Частая путаница

Ядерная бомба и атомная — одно и то же? «Ядерное оружие» охватывает оба вида. «Атомной бомбой» обычно называют заряд деления.

Водородная бомба радиоактивнее? Не обязательно. Осадки зависят прежде всего от того, сколько происходит делений и касается ли огненный шар земли. «Чистая» схема с небольшим количеством урана во вторичном узле даёт меньше осадков на килотонну, а мощный наземный взрыв даёт их очень много.

Можно ли сделать водородную бомбу сколь угодно большой? В принципе ступени можно наращивать: в советской Царь-бомбе их было три, и рассчитана она была на 100 мегатонн. На практике военного смысла в таком оружии нет, как показывает история Царь-бомбы.

Чтобы сравнить оба вида на карте, выберите в симуляторе «Малыша», а затем современную боеголовку в 800 кт. Подробности устройства обеих схем описаны в статье как работает ядерное оружие.