Краткая биография бомбы на основе изомера гафния Hf-178-m2, которая могла стать самой дорогой и мощной в истории, а стала одной из самых громких неудач.

В 1998 г. состоялся нестандартный эксперимент. Излучатель, установленный в небольшой служебной постройке с громкой вывеской «Центр квантовой электроники» (Center for Quantum Electronics) при Техасском Университете в Далласе, бомбардировал рентгеном дно перевернутого пластикового стаканчика. На нем лежала едва заметная частица гафния, вернее, частица его изомера Hf-178-m2. Так началась история изомерной бомбы.

Излучатель был собран из выброшенного рентгеновского аппарата, стоявшего некогда в кабинете зубного врача, а также бытового усилителя, купленного в ближайшем магазине. Он бомбардировал стаканчик излучением в течение нескольких недель. После тщательной обработки полученных данных руководитель группы доктор Карл Коллинз (Carl Collins) объявил о несомненном успехе. Судя по записям регистрирующей аппаратуры, ученые нащупали путь к созданию миниатюрных бомб колоссальной мощности — устройств размером с кулак, способных производить разрушения, эквивалентные десяткам тонн обыкновенной взрывчатки.

Основа ее начинки — Hf-178-m2, изомер (не изотоп!) гафния-178. Понятие ядерной изомерии возникло в 1921 г, когда немецкий химик, будущий лауреат Нобелевской премии Отто Ган обнаружил «неправильный» вариант одного из продуктов распада урана, названного им «ураном XII» (UXII). Ни по своим химическим свойствам, ни по массовому числу он не отличался от уже известного радиоактивного элемента, «урана Z» (UZ) — и все же он обладал иным, значительно более продолжительным периодом полураспада. Позднее выяснилось, что в обоих случаях это был изотоп протактиний-234 (234Pa) — в возбужденном (изомерном) и основном состоянии ядра.

Ядерные изомеры — это долгоживущие возбужденные состояния атомных ядер. Такие ядра имеют необычную структуру: при определенных условиях формирующие их нейтроны и протоны могут принять особую, возбужденную конфигурацию. Большая часть изомеров отличается крайне недолгим сроком жизни — ядра практически моментально переходят в обыкновенное состояние, освобождая избыток энергии в виде фотонов рентгеновского диапазона или передавая его электронам атомной оболочки (т.н. внутренняя конверсия). Однако некоторые могут оставаться стабильными в течение довольно долгого срока. К числу таких физических диковинок принадлежит, в частности, Hf-178-m2 (он же 178m2Hf, по принятому в отечественной науке написанию).

Мета-стабильные изомеры можно использовать в роли своеобразной «энергетической губки», способной сохранять впитанную энергию на определенный срок и с относительно небольшими потерями. Период полураспада 178m2Hf составляет 31 год: это означает, что за три десятка лет кусок изомерного гафния потеряет только половину избыточной энергии, высвободив ее в виде рентгеновского излучения. Кроме того, среди известных ныне ядерных изомеров 178m2Hf обладает наибольшей энергией возбужденного состояния — 2,446 МэВ, так что один грамм возбужденного изомера по запасенной энергии эквивалентен примерно 300 кг тринитротолуола. Все это значит, что из 178m2Hf могла бы получиться прекрасная взрывчатка — нужно лишь найти способ, позволяющий резко ускорить его переход в нормальное состояние, то есть создать устройство, которое сыграло бы в изомерной бомбе роль запала.

В отчете Коллинз писал, что ему удалось зарегистрировать крайне незначительный рост рентгеновского фона, который испускал облучаемый образец. Между тем именно рентгеновское излучение является признаком перехода 178m2Hf из изомерного состояния в обыкновенное. Следовательно, утверждал он, его группе удалось добиться ускорения этого процесса за счет бомбардировки образца рентгеном (при поглощении рентгеновского фотона с относительно небольшой энергией ядро переходит на другой возбужденный уровень, а затем следует быстрый переход на основной уровень, сопровождающийся высвобождением всего запаса энергии). Чтобы заставить образец взорваться, — рассуждал Коллинз, — нужно лишь увеличить мощность излучателя до определенного предела, после которого собственное излучение образца окажется достаточным для того, чтобы запустить цепную реакцию перехода атомов из изомерного состояния в нормальное. Результатом станет весьма ощутимый взрыв, а также колоссальный всплеск жесткого рентгена.

Научное сообщество встретило эту публикацию с явным недоверием — большинство экспертов сочло, что полученный результат является следствием различных измерительных ошибок. Несмотря на это, Пентагон крайне заинтересовался работой Коллинза и выделил ему деньги на дальнейшие исследования. Изучение ядерных изомеров открывало дорогу к созданию принципиально новых бомб, которые, с одной стороны, были бы значительно мощнее обыкновенной взрывчатки, а с другой — не подпадали бы под международные ограничения, связанные с производством и применением ядерного оружия (изомерная бомба не является ядерной, поскольку в ней не происходит превращения одного элемента в другой). Изомерные бомбы могли бы быть очень компактны (у них нет ограничения по массе снизу, поскольку процесс перехода ядер из возбужденного состояния в обычное не требует наличия критической массы), а при взрыве высвобождали б огромное количество жесткого излучения, уничтожающего все живое.

В течение последующих нескольких лет небезызвестное агентство DARPA вложило в изучение Hf-178-m2 несколько десятков миллионов долларов, однако до создания рабочего образца бомбы дело так и не дошло, и в 2004 г. программа была закрыта. Отчасти это объясняется неудачами исследовательского плана — в ходе нескольких экспериментов с использованием мощных гамма-излучателей Коллинзу не удалось продемонстрировать хоть сколько-нибудь значимое увеличение фона облучаемых образцов. Попытки повторить результаты Коллинза предпринимались неоднократно, но ни одна другая научная группа (а в их число входили Лос-Аламосская, Аргоннская, Лоуренс-Ливерморская и Брукхэвенская национальные лаборатории США, использовавшие гораздо более мощные рентгеновские источники) не смогла это сделать.

Уже тогда указывалось, что, при всех своих преимуществах, изомерная бомба обладает целым рядом принципиальных недостатков. Во‑первых, Hf-178-m2 радиоактивен, так что бомба будет не совсем «чистая» (некоторое заражение местности «несработавшим» гафнием будет иметь место). Во‑вторых, изомер Hf-178-m2 не встречается в природе, а процесс его наработки довольно дорог: его обычно получают в очень малых количествах для научных исследований, бомбардируя протонами мишень из тантала. Поскольку масса малого боевого заряда должна составлять хотя бы несколько десятков грамм, такие боеприпасы получаются воистину «золотыми».

А уже в 2000-е годы, и уже в России было показано, что и эти недостатки не являются решающими. Дело тут не в несовершенстве техники или недоработках экспериментаторов. Евгений Ткаля из Института ядерной физики МГУ продемонстрировал, что заявленные результаты — эффективное снижение времени полураспада изомера под действием рентгеновского излучения — глубоко противоречат всей теории, лежащей в основе современной ядерной физики. При самых благожелательных допущениях он получал значения, на порядки меньшие, чем те, о которых рапортовал Коллинз. Здесь в истории изомерной бомбы можно ставить если не точку, то длинное многоточие. Ускорить выделение колоссальной энергии, которая заключена в изомере гафния, пока что невозможно. По крайней мере, с помощью реально существующих технологий.

О «матери всех бомб» мы писали в статье «Оружие будущего». Кроме того, читайте о других «перспективных» разработках Пентагона: «Make Love Not War» и о ядерной мине с курами внутри: «Ядерный павлин».

По публикации Damn Interesting и «Элементов»