Это, как уже говорилось, имплозия — взрыв, направленный внутрь. Подавляющее большинство представляет себе взрыв как процесс, в котором происходит мгновенное расширение, разлёт реагирующих веществ от центра — наружу. Это эксплозивный взрыв, чаще всего наблюдаемый в жизни.
Однако специалисты знают, что с помощью конструктивных ухищрений можно заставить энергию взрыва не разбегаться, а «сходиться в точку» — концентрировать её по заданным направлениям.
Давно известны сделанные по такому принципу кумулятивные заряды — их применяют в капсюлах-детонаторах, для резки металлов и дробления громадных кусков руды в карьерах.
Во время Отечественной войны у немцев появились снаряды, которые пробивали танковую броню в несколько раз более толстую, чем советские такого же калибра.
Разведка раздобыла эти образцы, и академик Михаил Лаврентьев — будущий создатель и первый руководитель Сибирского Отделения АН СССР — взялся исследовать «пробивной» снаряд врага. Выяснилось, что носовая часть их — полая, в виде конуса или полусферы, внутренняя часть этой полости покрыта металлической оболочкой. При взрыве снаряда оболочка вбирает в себя всю энергию взрывчатки, сходящуюся к центру сферы. Колоссальная мощь чрезвычайно уплотнённого и сконцентрированного металла прожигает броню, а остаточная энергия взрыва расширяет полученное отверстие, разрушая танковую защиту. Впрочем, это было предположение, которое сделал Лаврентьев, и следовало экспериментом подтвердить или отвергнуть его.
К тому времени в одной московской рентгеновской лаборатории научились делать моментальные снимки различных фаз быстропротекающих процессов молодые «рентгенщики» — Вениамин Цукерман и Лев Альтшуллер (потом к ним присоединится Виталий Гинзбург). Ухитрились для начала снять винтовочную пулю в полёте.
В этой лаборатории и получили снимки различных стадий взрыва вражеского кумулятивного снаряда, что полностью подтвердило предположение академика. Так советские специалисты впервые встретились с военным применением имплозии. Это было в 1942 году, а спустя четыре года молодые «рентгенщики» всерьёз займутся имплозией для атомной бомбы и станут ключевыми фигурами в разработке ядерного оружия.
Но раньше, чем советские учёные, и даже раньше американцев «приспособить» имплозию для ядерного оружия попытались немцы. В том же 1942-ом они применили кумулятивные заряды для сжатия и детонации термоядерного горючего — тяжёлого водорода.
В качестве индикатора термоядерных реакций немецкие учёные использовали серебряную фольгу — она регистрирует появление в «термояде» нейтронов, которые являются важнейшим и непременным доказательством синтеза.
И, хотя немцы были на верном пути, опыты закончились неудачей — а ведь стоило им лишь увеличить на порядок мощность кумулятивных зарядов, как удалось бы зафиксировать термоядерные нейтроны. К счастью, фортуна отвернулась от ядерщиков рейха.
Словом, имплозия тогда была уже «в ходу», и американцы сумели заставить её поработать на эффективность атомных зарядов. Чтобы ясно представить себе особенности механизма взрыва «внутрь», можно рассмотреть довольно наглядную модель этого явления в ядерном заряде.
Ядерная изюминка
Если ядерный заряд представить себе в виде кубической буханки пшеничного хлеба с внедрёнными туда изюминками, то протыкание такой буханки тонкой спицей схоже с проникновением нейтрона в среду атомной взрывчатки. Роль атомов здесь играют изюминки.
Спица (нейтрон) может проткнуть всю буханку, не встретив ни одного атома и, стало быть, не положив начало ядерному распаду — источнику взрывной энергии.
Однако, попадание спицы (нейтрона) в атом ещё не означает деление ядра, ибо размер ядра неизмеримо меньше габаритов атома. Если, скажем, сам атом увеличить до размеров стены обычной комнаты, то ядро на этой стене окажется (при том же увеличении) величиной не более типографской точки. Отсюда видно, что шансов «зацепить» ядро у нейтрона, проникшего в область атома, совсем немного. Большинство нейтронов, родившихся в недрах атомного заряда спонтанно или специально туда «впрыснутых», так и не встретив «своего» ядра, выйдут наружу.
Но, если неограниченно увеличивать размер «буханки», то рано или поздно почти каждый нейтрон встретит искомую цель и начнёт процесс ядерной цепной реакции, при которой любое разваленное ядро даст ещё два-три нейтрона, и так далее.
Тот размер вещества, при котором число вновь родившихся нейтронов будет превышать число потерь («холостых» нейтронов, покинувших вещество сквозь его поверхность), называется критическим размером, а масса его — соответственно критической массой. Так, например, критическая масса урана-235 — около 60 килограммов, а критический размер — с небольшой мяч.