Чтобы по своему желанию добыть здесь и сейчас химическую энергию из углеводородов — надо освоить цепные реакции окисления. Достаточно как-то начать, ну а дальше из искры возгорится пламя. Или нет. Как знают разводившие костёр — есть нюансы.

Чтобы добыть здесь и сейчас ядерную энергию из подходящих изотопов тяжелых элементов — надо освоить цепную реакцию деления. Ту самую, про которую обычно рисуют картинку с нейтроном, попадающим в ядро урана, разваливающим его на два осколка и пару-тройку новых нейтронов, которые попадают в другие ядра, разваливают их, и так далее. Хотите погорячее — наберите критическую массу и продолжайте в том же духе, хотите притормозить — дайте части нейтронов улететь прочь.

Есть нюансы.

Данная нам в эксперименте реальность наносит по этой картинке сокрушительный удар уже хотя бы тем, что длина волны де Бройля достаточно медленного нейтрона, определяющая его «радиус действия», может быть сравнима с размерами атома, а отнюдь не его ядра. (Да, нейтрон может «иметь размер» в десятки тысяч раз больше, чем ядро, в котором этих нейтронов больше сотни. Никто не обещал, что будет легко). Из аккуратного гладкого бильярдного шара, точным ударом разбивающего ядро-пирамиду, нейтрон превращается в экстравертного гопника с непредсказуемым поведением, озирающегося по сторонам на предмет до какой бы ядерной компании докопаться. (Если вы занимаетесь проблемами радиационной защиты, то примерно так вы нейтроны и воспринимаете).

Ну а дальше вообще всё столь же просто и интуитивно понятно, как в мультфильме «Ух ты, говорящая рыба!»:

— эффективный «размер» нейтрона зависит от его скорости;

— немонотонным причем образом, дело не сводится к «чем медленнее, тем больше», есть конкретные значения скорости, на которых нейтрон особенно общителен;

— скорость у нейтронов бывает разная с самого начала, а также теряется во взаимодействиях с другими ядрами;

— …количество которых, естественно, зависит от его скорости;

— некоторые нейтроны вываливаются из осколков расщепленных ядер с запозданием;

— …а некоторые ещё позже;

— в нагревшемся из-за деления ядер веществе ядра начинают ёрзать тепловым движением и, как правило, отвлекаться от взаимодействия с нейтронами;

— …но иногда парадоксальным образом наоборот;

— сколько-то нейтронов улетает из куска вещества наружу, а сколько именно — зависит от его формы;

— когда кусок нагреется, расширится и станет менее плотным, улетать станет больше. А если кусок оплавится и поменяет форму, то чёрт его знает;

— …но сколько-то может и вернуться, снаружи ведь тоже что-то есть. Отразиться от чего-то нейтрон в строгом смысле слова не может, но иногда результат довольно похож;

— в образце могут быть примеси, при виде некоторых из них нейтроны теряют волю и теряются для общества;

— причем эти примеси могут быть промежуточными продуктами распада, и тогда их количество зависит от того, с какой скоростью цепная реакция шла последние несколько часов;

— вот, скажем, ксенон-135; «ксенон-135», скажу я вам — идеальное название для пивбара рядом с офисом, паблика со смешными мемами, раздела с политическим офтопиком на форуме и того чувака, который одним своим появлением может парализовать работу коллектива…

Хватит. Короче, всё плохо.

Пресловутая «критическая масса» — понятие редкой абстрактности и прикладной бесполезности. Она определена не просто для некоего сверхчистого сферического плутония в вакууме — в самом буквальном смысле — но еще и имеющего строго определенную температуру.

От картинки «из одного нейтрона получилось два» до осознанного управления цепной реакцией — дистанция примерно как от тезиса «больше цена — меньше спрос» до какого-нибудь особенно сложносочиненного биржевого коллапса международных масштабов.

Интермедия мегатонная

Что с современным городом сделает термоядерный заряд на три мегатонны — можно прикинуть на NukeMap. Он, пожалуй, свою репутацию всё-таки оправдает — хотя чёрт его знает, ожидания настолько завышены, что, может, и миллион погибших и три-четыре миллиона пострадавших вызовут реакцию «почему не пять?». В общем, штука и вправду чудовищная.

Но вот какое дело. Три мегатонны тротилового эквивалента — по очень расплывчатым, конечно, оценкам, не стоит это воспринимать как запись в журнале учёта — это суммарное количество взрывчатых веществ, использованных в составе довольно примитивных по нынешним временам вооружений в ходе Второй мировой войны. Результаты которой, мягко говоря, не сводятся к одному уничтоженному городу. Счёт погибших в которой идёт на многие десятки миллионов.

Термоядерный заряд имеет жутковатую плотность смерти на единицу массы, на единицу времени и на единицу отданных команд на запуск.

Возможно, имеет неплохую отдачу на вложенный доллар, хотя тут сложно сказать определённо, корректно посчитать стоимость военной техники вообще и ядерного вооружения в особенности — задача безнадежно неблагодарная.

Но при этом это запредельно неэффективное средство разрушения в смысле плотности смерти на единицу энергии. Уничтожая тонкий слой цивилизации на поверхности земли, оно рассеивает многие петаджоули вообще без какого-либо эффекта, в прямом смысле слова впустую сотрясая воздух верхних слоёв атмосферы. Пулемётный огонь в темноту, бьющая наугад артиллерия, вслепую вываливаемые в сплошную облачность авиабомбы работали точнее и адреснее. Это не абсолютное оружие — это самое тупое, самое неспособное к прицеливанию оружие за всю историю. Даже пушку на воробьёв всё-таки можно навести. Ядерной энергии столько, что после её выделения повлиять на её идеально сферически симметричное распространение невозможно никак.

…на её основе, кажется, сложновато сделать двигатель.

Интермедия килотонная«Little Boy» достоин быть представленным в музее метрологии, если не в самой Палате мер и весов. С ним сравнивают энергию грозовых облаков, извержений вулканов, падений метеоритов и т.д. и т.п. Символ смерти, полного, абсолютного конца всего. По крайней мере, некоего города.

Но что всё-таки осталось от Хиросимы после того, как над ней на высоте 600 метров взорвался ядерный заряд с ТЭ 13–18 килотонн?

Ответ — на архивных фото «после». Красная точка — эпицентр. Вы не находите, что эти строения выглядят озадачивающе и, не побоюсь этого слова, десакрализующе?

Последнее фото — вид типичного хиросимского квартала «до».

Хиросима очень хорошо горела. Но взрыв «Little Boy» в принципе не имел пресловутой «зоны полного разрушения», а многими из неявно приписанных ему свойств обладают лишь термоядерные заряды на пару порядков мощнее.

…над современным городом тактическому ядерному заряду будет очень сложно оправдать свою репутацию. Я надеюсь, что это лучшая страховка от его применения.

Когда средней руки писателю-фантасту, геймдизайнеру или еще какому-нибудь прикладному демиургу приходит в голову, что обычный ракетный двигатель как-то не соответствует размаху поставленной задачи — неубедителен, неэстетичен или недостаточно престижен — он меняет ему цвет выхлопа на более современный и впечатляющий, называет его «атомным» и рисует на нем трилистник ☢️

Как так получилось, что слово «атомный» стало синонимом «магического» в смысле полной свободы от необходимости что-то объяснять, а символ радиационной опасности, столь же утилитарный, как дорожный знак 1.26 «Перегон скота», превратился не то в пентаграмму, открывающую путь демонам ада, не то в запретную руну всемогущества — вопрос, требующий обстоятельного исследования коллективом историков, психологов, политологов и физиков, которые будут пристально смотреть друг за другом и бить друг друга по рукам, когда кто-то начнёт нести чушь (то есть сразу и непрерывно). Я тут одна, поэтому ограничусь предложением заглянуть внутрь себя, найти там нерассуждающий восторженный страх перед атомным сиянием, и попробовать вспомнить, кто и когда вам этот Белый Цветок показал.

Скорее всего, конечно, к этому имело какое-то отношение назойливое информирование о последствиях подрыва десятимегатонного термоядерного заряда над мегаполисом и не менее навязчивое сравнение всего и вся непредставимого с хиросимской бомбой, что, как писал классик, привело общество к «восприятию А-бомбы не как оружия (сопоставимого по разрушительной силе с другими средствами ведения войны), а как всесокрушающего божественного гнева, который не измеряется в цифрах». Сами слова «килотонна» и «мегатонна» приобрели какой-то нездоровый оттенок, как будто они имеют отношение к неким социально осуждаемым, но втайне желанным действиям, что восхитительно абсурдно само по себе — где еще оказывается достаточным умножить что-то на тысячу, чтобы перейти от бытового к сверхъестественному? Как так вышло, что восемнадцать тонн — это фура с картошкой, а восемнадцать килотонн — Великий Ужас?

(А восемнадцать мегатонн — Великий Ужас Побольше).Ядерная энергия отличается от химической тем, что её очень много. («Очень» — это пара миллионов, а не что-то трансцендентное и непознаваемое). Она, увы, не отличается от химической тем, что выделяется совершенно хаотическим и ненаправленным образом, и поэтому двигатель сделать по-прежнему гораздо сложнее, чем бомбу. Её надо как-то удержать в замкнутом объеме, создав давление, и потом сломать у этого объема четвертую стену, чтобы асимметричное давление создало тягу. И вот тут-то возникает проблема.

Всё вокруг нас, в том числе конструируемый двигатель, существует как объекты благодаря химическим связям. Химическая связь может удержать химическую же энергию, если не халтурить при проектировании системы охлаждения. Но невозможно химической связью удержать атом в стенке сопла, если по нему бьёт налетающий атом с энергией ядерной. У двигателя, кажется, нет шансов не испарить себя.

…писатель-фантаст, будь добр, покажи чертёж «атомного», а?

Самым крупным успехом PR-отдела магнетизма надо признать понятие линии магнитного поля. Любое поле очень удобно изображать силовыми линиями, но только магнитное собрало такую коллекцию связанных с ними образов и устойчивых описаний. Линии вмораживаются в плазму и выталкиваются из сверхпроводников, линии нанизывают на себя спиральные траектории заряженных частиц и перезамыкаются в солнечной короне, линии закручиваются в головоломную конфигурацию обмотками стелларатора и формируют контуры северного сияния, и, конечно же, линии выстраивают железные опилки у полюсов магнита, становясь видимыми и убеждая в своей реальности. Каждый магнит обретает незримые тентакли, а при взгляде на типичный рисунок земной магнитосферы и кажется, что можно отправиться куда-то за полярный круг и найти там то самое место, где из вечной мерзлоты поднимается и уходит в небо одна из Великих Линий Поля. Втягивая в себя железные опилки и ржавые тракторы.

Линия магнитного поля — исключительно хороший и наглядный образ. И, как любой хороший образ, в какой-то момент он из опоры превращается в крепкую решетку, через которую очень сложно просочиться на следующий уровень понимания.

Линии магнитного поля не существуют как физические объекты. Это абстракция. Поле вполне однородно в каждой точке пространства, это каша без комочков, а не набор макаронин. Железные опилки лгут.

Избавиться от мысленной волосатости магнитного поля сложно, но стоит о её иллюзорности помнить и профилактики ради почаще пробовать думать таким же образом о других полях.

…вот, например, сосульки. Они визуализируют линии гравитационного поля Земли.

Из того, что вся тяга ракеты создается двигателем, только двигателем и ничем, кроме двигателя, есть несколько очевидных следствий. Во-первых, двигатель должен быть прочным. Во-вторых, должно быть прочным крепление двигателя к ракете. На этот узел, несколько теряющийся на фоне её общего размера, приходится весь её вес, помноженный на стартовую перегрузку. Не то чтобы эта ситуация была необычной с инженерной точки зрения – что-то подобное найдется почти везде. Бросающее авиалайнер в разгон усилие норовит погнуть и оторвать лопатки вентилятора, вертолёт висит на гайке, фиксирующей ротор на валу, велосипедист при внимательном рассмотрении оказывается подвешенным на паре десятков спиц, как парашютист – на паре десятков строп. Качественные материалы, которым придана правильная форма, могут выдержать многое.

В-третьих, ракету можно аккуратно поставить на её двигатели, и с ней должно быть всё хорошо: она не помнётся, крепление не погнётся, распределение нагрузки при этом будет точно таким же, что и в полете. Собственно, чаще всего на старте примерно так и делается, изящно подхватываемый за талию «Союз» скорее исключение, а объятия башен обслуживания страхуют только от порывов ветра. Тот же Шаттл непосредственно перед запуском стоял, простоя опираясь на основания твердотопливных ускорителей, прикрученные к стартовому столу восемью гайками.

(Перед самым стартом, уже после запуска двигателей, гайки подрывались пиропатронами и распадались на две половинки. За историю полётов Шаттлов было несколько десятков случаев, когда одна из гаек по не вполне понятным причинам не срабатывала. Каждый раз Шаттл благополучно срывал резьбу и улетал. Было два случая — в ноябре 1981-го и в октябре 2000-го — когда не сработали две гайки. Шаттл справился и с этим. NASA выражало некоторую озабоченность тем, что если не сработают четыре гайки, выдерживающие тонн по семьсот каждая, то получится как-то совсем нехорошо, но вероятность этого увлекательного сценария реализоваться не успела).

Качественные материалы способны на многое, но иногда нужно больше. Особенно часто желание большего возникает в мечтах об удержании в двигателе плазмы ядерного взрыва или чего похлеще. И тогда в фантазиях рождается, скажем, магнитное сопло, которое должно отделить заветное море энергии от бренного сопромата. Но третий закон Ньютона никуда не девается.

Если магнитное поле способно удержать разлёт плазмы — значит, оно обладает соответствующим давлением, и это давление разрывает создающий его электромагнит. Если магнитное поле ловит вспышку ядерного взрыва, как бабочку в сачок — значит, весь пойманный импульс будет передан не куда-нибудь, а на витки электромагнита. Если вы не вполне понимаете, в результате какого взаимодействия частиц, полей и токов это произойдет — это нормально (магнитогидродинамика совершенно не предназначена для человеческой интуиции), но тем хуже для вас. Прикрепляйте магнит тщательно.

Если вы придумали двигатель с невероятной тягой — убедитесь, что эту тягу выдержит та гайка, которой он прикручен к вашему звездолёту. И да, это не только инженерный совет, но и метафора широкого спектра.

Непросто по-настоящему осознать и прочувствовать, что практически ничего из того, что у ракеты видно снаружи, не имеет отношения к приводящей её в движение силе.

Ни корпус, плавность линий которого только минимизирует неизбежную помеху движению в атмосфере — и становится совершенно неважна за его пределами.

Ни пламя двигателей — хотя так и тянет делать его длиннее и ярче, если хочется нарисовать что-то получше и помощнее, а те ракеты, котором не повезло с визуальной эффектностью используемого топлива, выглядят со своим почти невидимым выхлопом как-то неодето. Этот газ покинул двигатель, он уже не имеет к тяге никакого отношения. Чем ярче он светится, тем больше энергии пролилось мимо бесполезным образом.

Ни уж тем более дымовой след, если он имеется. Хотя сложно избавиться от ощущения, что он как-то стабилизирует полёт — не то как оперение стрелы, не то как устойчивое пирамидальное основание, опирающееся на стартовую площадку.

Тяга создаётся только и исключительно давлением на стенки сопла и камеры сгорания. В которой под сотню атмосфер и более. Это непросто осознать и прочувствовать, потому что очень мало что поддерживается давлением под сотню атмосфер. Тем более на лету.

Дирижабль парит за счёт естественной разницы давлений воздуха у нижней и верхней поверхности. (Выталкивающая архимедова сила — это она и есть). Великий «Гинденбург» держало в воздухе приложенное снизу избыточное давление в несколько тысячных долей атмосферы.

Самолет тоже летит за счёт разницы давлений между нижней и верхней поверхностями крыла, но уже созданной искусственно. Сколько-то сотых долей атмосферы. До одной десятой. Это то, что не даёт упасть B777 и A380.

Океанский круизный лайнер с осадкой в десяток метров держит на плаву давление воды на этой глубине. Одна атмосфера.

Автомобиль с накачанными до штатных двух с половиной атмосфер колёсами держат эти самые две с половиной атмосферы, приложенные к пятнам контакта. По паре сотен квадратных сантиметров каждое. Как об этом иногда поэтически говорят, «машину несут четыре ладони».

Кажется, только одно транспортное средство уверенно обходит ракетный двигатель по рабочему давлению. Железнодорожный вагон. У катящегося по металлическому рельсу металлического колеса тоже есть пятно контакта. Его площадь — три-четыре квадратных сантиметра. Если двухтонный автомобиль держат четыре ладони, то восьмидесятитонный вагон держат подушечки восьми пальцев. И вот тут-то уже достигаются тысячи атмосфер.

По распределению нагрузки ракета даже отдалённо не похожа на что-то ещё летающее. Она где-то между автомобилем и локомотивом — хотя у неё нет опоры из асфальта или металла, а есть только газ, который ещё надо сделать из привезенного с собой топлива. It's not a bird. It's not a plane. Больше всего это, кажется, похоже на очень тяжелого паука, вынужденного балансировать на очень тонких ногах на крохотной площадке.

(Лёгкая арахнофобия уместна. Происходящего в ракетном двигателе стоит немного опасаться).