1. Бомба должна быть безопасной в обращении, поэтому несанкционированный ядерный взрыв должен быть совершенно исключён.
2. При сбросе над целью должен быть гарантирован взрыв на заданной высоте, в крайнем случае — самоликвидация бомбы при ударе о землю, чтобы она не попала в руки противника.
Основными компонентами системы подрыва являются четыре радиовысотомера, барометрический и временной предохранители, блок автоматики, источник питания (аккумулятор).
Радиовысотомеры APS-13 Арчи обеспечивают взрыв бомбы на заданной высоте. При этом для повышения надёжности блок автоматики подрыва срабатывает при получении сигнала от любых двух из четырех высотомеров. Малогабаритный высотомер Арчи был разработан ранее в лаборатории Альвареса по заказу ВВС как радиодальномер защиты хвоста самолёта, но в этом качестве он не нашёл широкого применения. Дальность действия Арчи составляла 600–800 м; используемый как радиовысотомер, он выдавал команду на подрыв бомбы на высоте 500–600 м. Так как носовая часть бомбы занята массивным стальным отражателем, характерные штыревые антенны Арчи размещаются на боковой поверхности корпуса. Антенны были весьма уязвимы, поэтому при хранении и транспортировке бомбы они снимались. Интересно, что 6 и 9 августа 1945 г., в дни атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, чтобы не помешать работе радиовзрывателей «Малыша» и «Толстяка», всей американской авиации, действовавшей над Японией, было запрещено ставить радиопомехи.
Для предотвращения несанкционированного взрыва бомбы служит барометрический предохранитель, который блокирует цепи подрыва на высотах, больших 2135 м. Давление к бародатчику подаётся через снабженные дефлекторами воздухозаборники, симметрично расположенные вокруг хвостовой части бомбы.
Временной предохранитель (таймер) предотвращает срабатывание радиовысотомера по сигналу, отражённому от самолёта-носителя в случае неисправности барометрического предохранителя. Он блокирует цепь подрыва в течение первых 15 с после отделения от самолёта.
Таким образом, автоматика бомбы работает следующим образом:
1. Сброс бомбы осуществляется с высоты 9500-10000 м. Через 15 с после отделения от самолёта- носителя, когда бомба удаляется от него примерно на 1100 м, временной предохранитель включает систему подрыва.
2. На высоте 2100–2200 м барометрический предохранитель включает радиовысотомеры и цепь зарядки высоковольтного конденсатора подрыва по схеме: аккумулятор — инвертор — трансформатор — выпрямитель — конденсатор.
3. На высоте 500–600 м при срабатывании двух из четырёх радиовысотомеров, блок автоматики подрыва разряжает конденсатор на электродетонатор пушечного заряда
4. В случае полного отказа всех вышеперечисленных систем, бомба взрывается от обычного взрывателя, при ударе о землю.
Расчетный тротиловый эквивалент (ТЭ) «Малыша» составлял от 10 до 15 кт.
На изготовление первой атомной бомбы, сброшенной 6 августа 1945 г. на Хиросиму, ушёл практически весь полученный к тому времени оружейный уран, поэтому полигонные испытания бомбы не проводились, тем более, что работоспособность её несложной и хорошо отработанной конструкции сомнений не вызывала. Вообще разработка и доводка «Малыша» были практически закончены к концу 1944 г., и его применение задерживалось только отсутствием необходимого количества урана-235. Обогащённый уран с большими трудностями был получен только в июне 1945 г.
По разрушениям в Хиросиме была проведена приблизительная оценка мощности бомбы, которая реально составляла 12–15 кт тротилового эквивалента. Количество урана, вступившего в реакцию деления, не превышало 1,3 %.
На производство 1 кг урана-235 80 % обогащения по технологии 1945 г. требовалось около 600000 кВт-ч электроэнергии и более 200 кг природного урана, соответственно один «Малыш» с урановым зарядом массой 60 кг обходился в 36000 МВт- ч энергии, более 12 т урана и полтора месяца непрерывной работы промышленного гиганта в Ок-Ридже. Именно из-за неэкономичного использования крайне дорогостоящих делящихся материалов, ядерные заряды пушечного типа, впоследствии, были почти полностью вытеснены имплозивными.
После войны история «Малыша» не закончилась. Между августом 1945 г. и февралем 1950 г. было изготовлено пять урановых бомб типа Mk.I, все они были сняты с вооружения уже в январе 1951 г. Вновь о «Малыше» вспомнили, когда флоту США потребовалась малогабаритная атомная бомба для разрушения сильно защищённых целей. Модернизированный вариант «Малыша» получил обозначение Мк.8 и состоял на вооружении с 1952 по 1957 гг.
Другой путь создания атомной бомбы базировался на использовании плутония. Основная трудность в создании плутониевой бомбы заключалась в свойствах самого плутония. Он делится интенсивнее, чем уран, поэтому критическая масса для плутония существенно меньше, чем у урана (11 кг для 239Ри и 48 кг для 235U). Плутоний радиоактивен и ядовит, поэтому при работах с ним нужно использовать средства защиты.
Металлический плутоний имеет малую прочность, в диапазоне температур от комнатной до температуры плавления проходит шесть модификаций строения кристаллической решётки, с разной плотностью и подвергается интенсивной коррозии на открытом воздухе. Кроме того, он постоянно выделяет тепло, которое необходимо отводить. Для преодоления этих черт, детали из плутония приходится легировать другими металлами и наносить защитные покрытия.
Как было сказано ранее, критическое состояние можно получить не только быстрым сближением двух масс (для плутония этот путь не выгоден, в силу ряда причин), но и путём увеличения плотности подкритической массы делящегося материала. Плутоний для этого подходил лучше, чем уран.
Из школьного курса физики мы знаем, что твёрдые тела и жидкости несжимаемы. Для повседневной жизни — это действительно так. Но если приложить ОЧЕНЬ большое давление, то твёрдое тело (кусок плутония) можно сжать. Тогда он достигнет критического состояния, и произойдёт ядерный взрыв. Достичь этого давления можно с помощью взрыва обычной взрывчатки.
Для этого нужно ядро из плутония поместить в сферу из обычного взрывчатого вещества (ВВ). По всей поверхности взрывчатки расположить детонаторы и одновременно их подорвать. Тогда внешняя поверхность сферы будет разлетаться в стороны, а детонационная волна пойдёт внутрь и сожмёт ядерный заряд.
Практически осуществить мы это не можем — ведь невозможно на поверхности сферы разместить огромное количество детонаторов. Решением проблемы стала нетривиальная идея имплозии (Implosion) — взрыва, направленного вовнутрь, предложенная Сетом Неддермейером. Процесс взрыва нам кажется мгновенным, но на самом деле процесс детонации ВВ происходит во фронте детонационной волны, которая распространяется в взрывчатке со скоростью 5200…7800 м/с. Для разных сортов взрывчатки скорость детонации разная.
Для получения сферически сходящейся волны, поверхность сферы была разделена на отдельные блоки. В каждом блоке детонация инициируется в одной точке, а затем расходящаяся из этой точки волна детонации преобразуется линзой в сходящуюся. Принцип действия линзы из ВВ совершенно аналогичен принципу действия обычной оптической линзы. Преломление фронта волны детонации осуществляется за счет различной скорости детонации в различных взрывчатых веществах. Чем больше разница скоростей детонации в элементах линзового блока, тем он получается компактнее. Из геометрических соображений, на поверхности сферы можно разместить 32, 60 или 92 линзы.
Чем больше линз в сферически симметричном заряде, тем он компактнее, а сферичность имплозии выше, но сложнее автоматика подрыва. Последняя должна обеспечить одновременный подрыв всех детонаторов с разбросом по времени не более 0,5–1,0 мкс.
В первые послевоенные годы, в печати часто обсуждался вопрос о секрете атомной бомбы. И хотя Вячеслав Молотов, в одной из своих речей сказал, что для нас никакого секрета не существует, мы должны понимать, что этот «секрет» распадается на множество составляющих секретов, каждый из которых важен для общего успеха. О трудностях получения делящихся материалов мы уже упоминали. Не менее важно было понимать свойства взрывчатки и процессов её детонации. Необходимо было обеспечить стабильность качества взрывчатки независимо от партии и внешних условий. Это потребовало проведения больших исследовательских работ.
