Гафниевая чудо-бомба и суровая реальность
В 1921 году немецкий физик О. Ганн обнаружил некий доселе неизвестный изотоп урана, тут же названный им ураном-Z. По атомной массе и химическим свойствам он не отличался от уже известных. Интерес для науки представлял его период полураспада – он был немного больше, чем у других изотопов урана. В 1935 братья Курчатовы, Л.И. Русинов и Л.В. Мысовский получили специфический изотоп брома с похожими свойствами. Именно после этого мировая наука плотно занялась проблемой, названной изомерией атомных ядер. За прошедшее с тех пор время было найдено несколько десятков изомерных изотопов с относительно большим временем жизни, однако сейчас нас интересует только один, а именно 178m2Hf (изотоп гафния с атомной массой в 178 единиц. m2 в индексе позволяет различать его и изотопа m1 с такой же массой, но другими прочими показателями).
От прочих своих изомерных собратьев с периодом полураспада больше года этот изотоп гафния отличается наибольшей энергией возбуждения – около 1,3 ТДж на килограмм массы, что приблизительно равно взрыву 300 килограмм тротила. Высвобождение всей этой массы энергии происходит в виде гамма-излучения, хотя это процесс очень и очень небыстрый. Таким образом, теоретически возможно военное применение данного изотопа гафния. Нужно было только заставить атом или атомы переходить из возбужденного состояние в основное с соответствующей скоростью. Тогда освобождающаяся энергия могла бы превзойти по эффекту любое существующее оружие. Теоретически могла.
До практики дело дошло в 1998 году. Тогда группа сотрудников Техасского университета под руководством Карла Б. Коллинза основала в одной из университетских построек «Центр квантовой электроники». Под серьезной и пафосной вывеской скрывались набор обязательного для подобных лабораторий оборудования, горы энтузиазма и нечто, отдаленно напоминавшее рентгеновский аппарат из кабинета дантиста и усилитель для аудиосистемы, попавшие в руки злого гения. Из этих приборов ученые «Центра» собрали примечательный агрегат, который и должен был сыграть главную роль в их исследовании.
Усилитель формировал электрический сигнал с нужными параметрами, который в рентгеновском аппарате преобразовывался в рентгеновское излучение. Оно направлялось на крохотный кусочек 178m2Hf, лежащий на перевернутом одноразовом стакане. Честно сказать, это выглядит далеко не так, как должна смотреться передовая наука, к которой, собственно говоря, относила себя группа Коллинза. Несколько дней рентгеновский прибор облучал препарат гафния, а датчики бесстрастно записывали все, что «чувствовали». Еще несколько недель ушло на анализ результатов эксперимента. И вот, Коллинз в журнале Physical Review Letters публикует статью о своем эксперименте. Как было в ней сказано, целью исследований было извлечение энергии атомов по воле ученых. Сам же эксперимент должен был подтвердить или опровергнуть теорию Коллинза относительно возможности осуществления подобных вещей при помощи рентгеновского излучения. В ходе исследования измерительная аппаратура зафиксировала увеличение уровня гамма-излучения. Оно было ничтожно мало, что, в то же время, не помешало Коллинзу сделать вывод о принципиальной возможности «рукотворного» приведения изотопа в состояние ускоренного распада. Главный вывод мистера Коллинза выглядел подобным образом: раз можно ускорить процесс выделения энергии в малой мере, то должны быть некоторые условия, при которых атом будет избавляться от энергии на порядки быстрее. Вероятнее всего, полагал Коллинз, достаточно просто увеличить мощность рентгеновского излучателя, чтобы произошел взрыв.
Правда, научная общественность мира читала статью Коллинза с иронией. Хотя бы потому, что заявления были слишком громкими, а методика проведения эксперимента сомнительной. Тем не менее, как это водится, в ряде лабораторий по всему миру попытались повторить эксперимент техасцев, однако почти у всех ничего не вышло. Повышение уровня излучений от гафниевого препарата находилось в пределах погрешности чувствительности приборов, что точно не говорило в пользу теории Коллинза. Поэтому насмешки не прекратились, а даже усилились. Но вскоре о неудачном эксперименте ученые забыли.
А военные – нет. Им очень понравилась идея бомбы на ядерных изомерах. В пользу такого оружия говорили следующие доводы:
— энергетическая «плотность». Килограмм 178m2Hf, как уже говорилось, эквивалентен трем центнерам тротила. А это значит, что в габаритах ядерного заряда можно получить более мощную бомбу.
— эффективность. Взрыв взрывом, но основная масса энергии гафния выделяется в виде гамма-излучения, которое не боится вражеских укреплений, бункеров и т.д. Таким образом, гафниевая бомба может уничтожить и электронику, и личный состав противника без особых разрушений.
— тактические особенности. Компактный размер сравнительно мощной бомбы позволит доставить ее на место буквально в чемодане. Это, конечно, не Q-бомба из книг Л. Вибберли (чудо оружие размером с футбольный мяч, способное уничтожить целый континент), но тоже вещь очень полезная.
— юридическая сторона. При взрыве бомбы на ядерных изомерах не происходит преобразования одного химического элемента в другой. Соответственно, изомерное оружие нельзя считать ядерным и, как следствие, под международные соглашения о запрете последнего оно не подпадает.
Дело было за малым: выделить деньги и провести все необходимые работы. Как говорится, начать да кончить. DARPA вписало в финансовый план на следующие несколько лет строчку для гафниевых бомб. Сколько именно денег в итоге ушло на все это, неизвестно. По слухам, счет идет на десятки миллионов, но официально цифра не разглашалась.
Первым делом эксперимент Коллинза решили воспроизвести еще раз, но теперь уже «под крылом» Пентагона. Сначала проверку его работ поручили Аргоннской Национальной Лаборатории, однако даже похожих результатов не вышло. Коллинз, правда, сослался на недостаточную мощность рентгеновского излучения. Его увеличили, но снова ожидаемых результатов не получили. Коллинз по-прежнему отвечал, мол, сами виноваты – крутите ручку мощности. В итоге аргоннские ученые даже попробовали облучать препарат гафния при помощи установки повышенной мощности APS. Надо ли говорить, что результаты снова оказались не теми, о которых говорили техасцы? Тем не менее, в DARPA решили, что проект имеет право на жизнь, только им надо хорошо заняться. В течение следующих нескольких лет эксперименты велись в нескольких лабораториях и институтах. Апофеозом стало облучение 178m2Hf «из» синхротрона NSLS в Брукхейвенской национальной лаборатории. И там тоже, несмотря на повышение энергии излучения в сотни раз, гамма-излучение изотопа было, мягко говоря, небольшим.
Одновременно с физиками-ядерщиками проблемой занимались и экономисты. В начале 2000-х они выдали прогноз, прозвучавший как приговор всей затее. Один грамм 178m2Hf не может стоить меньше 1-1,2 миллиона долларов. Кроме того, в производство даже таких ничтожных количеств придется вложить около 30 миллиардов. К этому надо прибавить затраты на создание самого боеприпаса и его производство. Ну и последним гвоздем в гроб гафниевой бомбы послужил тот факт, что даже если NSLS смог бы спровоцировать «взрыв», о практическом применении подобной бомбы не может быть и речи.
Так что чиновники из DARPA, опоздав на несколько лет и истратив немало государственных денег, в 2004 году капитально урезали финансирование программы по изучению изомерного оружия. Урезали, но не прекратили: еще года полтора-два шли изыскания на тему «лазероподобного» гамма-излучателя, работающего по такой же схеме. Вскоре, правда, и это направление закрыли.
В 2005 году в журнале «Успехи физических наук» была опубликована статья Е.В. Ткаля под названием «Индуцированный распад ядерного изомера 178m2Hf и “изомерная бомба”». В ней подробнейшим образом была рассмотрена теоретическая сторона уменьшения времени отдачи энергии изотопом. Вкратце, это может произойти только тремя способами: взаимодействием излучения с ядром (в таком случае распад происходит через промежуточный уровень), взаимодействием излучения и электронной оболочки (последняя передает возбуждение на ядро атома) и изменением вероятности спонтанного распада. При этом на нынешнем и перспективном уровне развития науки и технологий, даже при больших и сверх-оптимистических допущениях в расчетах, добиться взрывного выделения энергии попросту невозможно. Кроме того, в ряде моментов, считает Ткаля, теория Коллинза вступает в противоречие с современными взглядами на основы ядерной физики. Конечно, это можно было бы рассматривать как некий революционный прорыв в науке, но эксперименты не дают повода для подобного оптимизма.
Сейчас Карл Б. Коллинз в целом согласен с выводами коллег, но по-прежнему не отказывает изомерам в практическом применении. К примеру, направленное гамма-излучение, полагает он, можно использовать для лечения онкологических больных. А медленное, невзрывное, излучение энергии атомами может в перспективе дать человечеству сверхъемкие аккумуляторы огромной мощности.
Однако все это будет только в будущем, близком или далеком. И то, если ученые решат снова заняться проблемой практического применения ядерных изомеров. Если те работы увенчаются успехом, то вполне возможно, что хранящийся под стеклом в Техасском университете стакан из опыта Коллинза (теперь этот артефакт называется «Мемориальной подставкой для эксперимента доктора К.») будет перенесен в более крупный и уважаемый музей.
