NWFAQ: 1.0 Типы ядерного оружия

 Испытание Upshot-Knothole Grable, 25 мая 1953 Невада. Изделие Мark 9 калибра 280 мм, сборка орудийного типа, взрыв 15 кт на расстоянии 10 км от гаубицы, время в полете 19 сек. Возможно этот кадр, запечатлевший единственный тест ядерного снаряда США, подсказал финальную сцену фильма "The Return Of The Living Dead" (1985). Ядерный гриб выглядит даже слишком красиво - снимок, скорее всего, был реставрирован на компьютере. Однако ... взрыв Little Boy над Хиросимой имел примерно такой же выход!

  Испытание Upshot-Knothole Grable, 25 мая 1953 Невада, изделие Мark 9 калибра 280 мм, сборка орудийного типа. Возможно этот кадр, запечатлевший единственный тест ядерного снаряда США, подсказал финальную сцену фильма «The Return Of The Living Dead» (1985). Похоже, что снимок был реставрирован на компьютере — ядерный гриб выглядит очень эффектно. Загадочное свечение в шапке действительно имело место. Он кажется где-то рядом, хотя взрыв произошел за 10 км от гаубицы, время в полете 19 сек. Выход близок к тому, что другое устройство с орудийной сборкой произвело над Хиросимой — около 15 кт. Рисунок и подпись к нему не являются частью исходного текста NWFAQ Кэри Саблетта

Начало NWFAQ и список опубликованных на русском языке секций http://extremal-mechanics.org/archives/3047

1.1 Терминология
1.2 Названия ядерных испытаний
1.3  Единицы измерения
1.4  Оружие деления
1.5  Комбинированное оружие деления/синтеза
1.5.1 Усиленное оружие деления
1.5.2  Оружие ступенчатой радиационной имплозии
1.5.3  Дизайн Alarm Clock/Sloika (Слоеный торт)
1.5.4  Нейтронные бомбы
1.6 Кобальтовая и другие подсоленные бомбы

    Ядерное оружие может быть сгруппировано в различные классы на основе ядерных реакций, которые обеспечивают его разрушительной энергией, а также деталей конструкции. Популярное разделение ядерного оружия на бомбы деления (ядерные) и бомбы синтеза (термоядерные) является не вполне удовлетворительным. Спектр конструкций оружия более сложен, чем подразумевает эта простая классификация. Все ядерное оружие, изобретенное до настоящего времени, нуждается в делении, чтобы инициировать взрывное выделение энергии. Оружие, которое включает в себя термоядерное топливо может делать это по-разному, в зависимости от желаемых результатов. Этот раздел пытается дать систематический обзор основных типов конструкций бомбы. Более подробно физика и принципы проектирования каждого типа будут рассмотрены в последующих разделах.

1.1 Терминология

   Для оружия, которое высвобождает энергию через  ядерные реакции, используется множество имен - атомные бомбы (A-бомбы), водородные бомбы (Н-бомбы), ядерное оружие, бомбы деления, бомбы синтеза, термоядерное оружие (не говоря уже о «физическом пакете» и «устройстве»). Несколько замечаний о терминологии, вероятно, будут здесь к месту.

  Самое раннее название для такого оружия, как представляется, это «атомная бомба». Оно подвергалось критике, как неправильный термин, поскольку все химические взрывчатки генерируют энергию из реакций между атомами — то есть, между нетронутыми атомами, состоящими из атомного ядра и электронных оболочек. Далее оружие деления, к которому применяется название «атомная бомба», является не более «атомным», чем оружие синтеза. Однако это имя прочно прикрепилось к чистому оружию деления и оно привычно для историков, общественности и ученых, которые создали первое ядерное оружие.

   Поскольку отличительной особенностью как оружия деления, так и оружия синтеза является то, что они выделяют энергию из трансформаций атомного ядра, наилучшим общим термином для всех типов этих взрывных устройств является «ядерное оружие» (отсюда название этих FAQ).

   Оружие деления называют «водородной бомбой» (Н-бомбой), поскольку  основными компонентами используемых в нем ядерных реакций являются изотопы водорода. Фактически, в самых ранних конструкциях бомбы синтеза единственным топливом для термоядерного синтеза был дейтерий (водород-2). Оружие синтеза называют «термоядерным оружием», потому что  для возникновения реакции синтеза необходима высокая температура.

1.2 Названия ядерных испытаний

   Прежде чем обсуждать американские ядерные испытания следует пояснить систему обозначений, которая используется для идентификации тестов и каждой испытанной бомбы. Каждая тестируемая бомба имеет кодовое имя, которое идентифицирует ее, а испытанию присваивается другое кодовое имя. Так первая атомная бомба называлась Gadget, и она была протестирована в ходе операции Trinity.

    Ранние испытательные операции проводились в рамках какой-нибудь тестовой серии, широкомасштабной операции, где многие ученые, специалисты технической поддержки, военный персонал и т.д. собирались вместе для того, чтобы взрывать и наблюдать множество устройств в течение нескольких недель или месяцев. Эта серия испытаний имеет другое кодовое имя. Например, второй и третий испытательные взрывы ядерного оружия (которые стали четвертым и пятым ядерными взрывами, разумеется) были частью серии испытаний Crossroads. Эти два теста обозначались как Able и Baker. Иногда США проводили две последовательности испытаний с различными целями вместе, как единую серию. Когда такое происходило, название каждой последовательности объединялось с именем всей серии (например, Tumbler-Snapper).

     В ранних сериях испытаний одни и те же имена использовались по несколько раз. Таким образом, тест Able имел место в сериях испытаний Crossroads, Ranger, Buster-Jangle и Tumbler-Snapper. Чтобы однозначно идентифицировать каждое испытание принято писать кодовое имя серии, за которым следует имя теста: Crossroads Able, Ranger Able и так далее. После середины 1952 года начали использоваться уникальные имена тестов, так что в этом соглашении уже не было строгой необходимости. Однако указывать серию также полезно, поэтому я придерживаюсь общепринятой практики идентификации испытания посредством комбинации серия-тест.

    После 1961 года система тестовых серий была отброшена, и стали шаблоном подземные испытания в штате Невада, которые все обычно рассматриваются, как часть одной серии Nevada. На самом деле эти тесты до сих пор обозначаются, как части конкретной серии испытаний, но теперь каждая «серия» просто соответствует правительственному финансовому году FY (операция Niblick — это FY64,  Whetstone — FY65 и т.д.) и потому теряет реальный смысл. Была еще финальная серия испытаний на открытом воздухе в Тихом океане (серия Pacific: тесты Dominic I и Dominic II) в 1962 году, и несколько специальных программ испытаний (Plowshare, Равномерная сейсмическая детонация  Vela). Для серии испытаний Nevada после 1961 года, и всех испытаний США после 1963 года, я часто следую общей практике простой идентификации тестов по названиям.

    Кодовые имена реальных устройств, как правило, не очень широко известны. Многие до недавнего времени оставались засекреченными (или все еще остаются). Поскольку бомба может быть испытана только один раз, идентификация устройства с помощью теста, в котором она была взорвана, является однозначной. В открытой литературе название теста обычно используется для обозначения бомбы, которая была испытана, и здесь это соглашение также поддерживается.

     Британские тесты следуют аналогичной номенклатуре, но не так систематично. За исключением первого теста (Hurricane), каждое испытание имеет как серию, так и идентификатор теста. Иногда идентификатор теста сам по себе уникален, иногда нет. К  имени серии может быть присоединено множество спецификаторов испытательной серии (отличных от названий проведенных тестов), но схема этого не ясна. Например, серия Grapple включала в себя испытания Grapple 1/Short Granite (где Grapple 1 сам по себе однозначно идентифицирует тест), но также и несколько тестов с обозначением Grapple Z. Как и в случае с испытаниями США, будут даваться обозначения как для полных серий, так и  для отдельных тестов.

Назад к указателю

1.3  Единицы измерения

   Как правило я стараюсь использовать метрическую систему на протяжении всех этих FAQ. Периодически будут возникать единицы, принадлежащие к принятой в США системе мер, так как основные источники информации о ядерном оружии, как правило, находятся в Соединенных Штатах, а я еще не пытался конвертировать в метрическую систему мер все величины из источников в США. Это создает определенные проблемы, когда даны приближенные или округленные числа — будет ли «50 фунтов» переведено, как «22.7 кг» (ложно подразумевая 3 точных цифры) или же это следует понимать, как «25 кг» (тем самым меняя данный размер на 13%) ?

   Существует также проблема того, какую «метрическую» систему использовать. Метрическая система была изобретена в эпоху Наполеона, и тело международного стандарта существует с 1875 года. За последние два столетия появилось много метрических единиц, с большим количеством вариаций по национальности и порядку. В 1960 году была принята система СИ (SI — Le Systeme International d’Unites) - радикальное усилие по очистке и упорядочению накопленного беспорядка. Многие из единиц, которые вошли в обиход в начале атомного века - кюри, бэр, рад, рентген, барн, ферми и т.д. - были ликвидированы. Эти единицы находятся вне системы СИ, но признаются стандартами СИ как  вспомогательные метрические единицы, которые не должны поощряться и, в конечном итоге, должны быть выведены из употребления.  Тем не менее, в оригинальных исторических и научных документах, касающихся атомного века, и в большинстве писаний о нем с той поры,  полностью доминируют эти не-СИ единицы. Соответственно, я не предпринимал никаких попыток соблюдать систему СИ.

   Постоянным источником путаницы с ядерным оружием является значение слова «тонна». Обычно это используется в качестве единицы массы или веса (различие, которое я собираюсь игнорировать) либо в Метрической Британской Имперской, либо в принятой в США системе мер (эти две последние имеют два типа тонны — короткая и длинная). В связи с ядерным оружием термин «тонна» и его метрические расширения (килотонны, мегатонны и т.д.) также используются, как единицы выхода взрывной энергии или мощности. Эта путаница еще больше возрастает в нестандартных соглашениях, иногда применяемых в США или Великобритании, чтобы использовать сокращения MT (или Mт, или мт) для различения метрических тонн с короткими тоннами, используя при этом MT (или Мт, или мт) для обозначения «мегатонны».

    Система СИ не используют короткую тонну, но она признает метрическую единицу 1000 кг, называемую «тонна» (т.е. метрическая тонна). В этом FAQ я использую слово тонна для обозначения метрической тонны. Слово тона (с одной буквой н — прим. переводчика), используется либо для ссылки на США/Имперскую короткую тонну, либо для энергетического выхода небольших взрывов. Что есть что — должно быть ясно из контекста.

    Сейчас единицы энергии взрыва (мегатоны, килотонны или даже просто тоны, в зависимости от выхода) являются производными от попыток сравнить взрывную силу бомбы с обычными взрывчатками, первоначальным намерением было уравнять ее с тонами тринитротолуола (ТНТ) — рабочей лошадки военных взрывчаток. Это очень быстро создает проблемы. На какие «тоны» ссылается такое сравнение ? И взрывная сила ТНТ не точно служит универсальной константой. Выделение энергии зависит от таких вещей, как плотность заряда, степень его удержания в замкнутом объеме, температура и состояние продуктов взрыва. Сообщается, что выход энергии изменяется в диапазоне 980 — 1100 калорий / грамм. 

     Для прояснения этой ситуации килотоны (мегатоны, и т.д.) были переопределены так, чтобы стать метрическими единицами, равными точно 10^{12} калорий (4.186\cdot 10^{12} джоулей). Таким образом истолкование килотоны, как метрической меры массы (килотон) ТНТ, дает значение 1000 калорий/ грамм, как раз в пределах указанного диапазона, в то время, как рассмотрение ее в качестве «кило коротких тонн тротила» дает 1102 калорий/ грамм, на крайнем верхнем конце указанного диапазона. Таким образом килотону можно называть «кило метрических тон ТНТ», и «кило коротких тонн ТНТ» с примерно одинаковой законностью.

   Отметим, что метрическое определение килотоны относится ко ВСЕЙ энергии, непосредственно высвобожденной устройством, независимо от формы. Хотя химические взрывчатки высвобождают по существу всю свою энергию в виде кинетической энергии взрывной волны, при ядерном взрыве только часть энергии выделяется в этой форме (хотя при большинстве условий она является основной частью). Таким образом килотона ядерного взрыва, на самом деле, имеет значительно меньший эффект от взрывной волны, чем килотона химического взрыва. 

    Правильные сокращения для килотон и мегатон также не являются стандартными. кт, Кт, кТ и КТ —  все это можно найти в  литературе (авторитетный источник «Эффекты Ядерного Оружия» избегает этой трудности, никогда не сокращая эти термины). Руководство по стандартам СИ признает использование строчной буквы «т» для тонны, но так и не было принято никакого правила использования буквенного обозначения для взрывной тоны. Официальным правилом буквенных обозначений в СИ для кило является «к» и для мега — «M» (я думаю, что было бы более логично зарезервировать строчные буквы для метрической шкалы дробных единиц — деци, санти, милли и т.д., оставляя верхний регистр для кратных единиц  - дека, кило, мега и т.д., но СИ этого не делает).

   Без каких-либо особенных причин, я использую нижний регистр «т» для тоны измерения мощности взрыва, и следую стандарту СИ в сокращениях метрической шкалы, таким образом мы имеем кт и Мт для килотоны и мегатоны.

Назад к указателю

1.4  Оружие деления

     Это оружие, которое  в качестве источника энергии использует только реакции деления. Бомбы деления работают за счет быстрой сборки докритический конфигурации делящегося материала (плутония или обогащенного урана) в сильно сверхкритическую. Первые атомные бомбы, испытанные 16 июля 1945 (имя устройства: Gadget, название теста: Trinity) и сброшенные на Японию 6 августа 1945 (Little Boy, над Хиросимой) и 9 августа 1945 года (Fat Man, над Нагасаки) были чистым оружием деления.

   Это — простейшее ядерное оружие для проектирования и изготовления, и возможность сделать это является необходимым условием для развития любых других типов оружия. В дополнение к пяти объявленным ядерным державам (США, СССР/Россия, Великобритания, Франция и Китай), которые все приобрели и испытали это оружие, оно также было получено Израилем, Индией, Южной Африкой и Пакистаном. Индия испытала бомбу деления, в то время как Израиль и Южная Африка подозреваются в ее испытании.

   Существуют практические ограничения на размер чистой бомбы деления. Большая  бомба требует больше делящихся материалов, которые:

1.  становится все труднее поддерживать в докритическом состоянии перед детонацией и

2.   труднее собрать в высоко эффективную, сверхкритическую массу до того, как блуждающие нейтроны вызовут преждевременную детонацию.

    В связи с секретностью и трудностью усиления, описанной ниже, достаточно сложно наверняка определить самую большую бомбу деления из всех, которые когда-либо испытывали. Похоже, что это был тест Ivy King на 500 кт, произведенный США (15 ноября 1952). Устройством, взорванным в этом испытании, была Mk-18 Super Oralloy Bomb («SOB»), сконструированная командой Теда Тэйлора.

Назад к указателю

1.5  Комбинированное оружие деления/синтеза 

    Любое ядерное оружие, которые не является чистым оружием деления, использует реакции термоядерного синтеза для повышения своих разрушительных эффектов. Любому оружию, которое использует синтез, требуется бомба деления, чтобы обеспечить энергию для инициирования термоядерных реакций. Это не обязательно означает, что синтез генерирует значительное количество энергии взрыва, или что взрывная сила является искомым эффектом.

1.5.1 Усиленное оружие деления

    Наиболее ранним применением синтеза к практически пригодному оружию была разработка усиленного оружия деления. В этом оружии несколько грамм смеси дейтерий/тритиевого газа закачано в центр делящегося ядра. Когда ядро бомбы в достаточной мере подвергается делению, оно становится достаточно горячим, чтобы зажечь реакцию D — T синтеза, которая протекает быстро. Эта реакция производит интенсивный выброс нейтронов высоких энергий, что, соответственно, вызывает интенсивную вспышку делений в ядре. Это значительно ускоряет скорость деления в активной зоне, тем самым позволяя гораздо большему проценту материала в ядре подвергнуться делению, прежде чем оно разлетится в разные стороны. В чистой бомбе деления среднего размера обычно делится не более 20% материала до того момента, когда реакция прекращается (но может быть намного меньше, эффективность бомбы в Хиросиме составляла 1.4%). За счет ускорения процесса деления усиленная бомба деления увеличивает выход на 100% (не усиленная 20 кт бомба, таким образом, может стать бомбой на 40 кт). Фактическое количество энергии, выделяющейся при реакции синтеза, является незначительным, примерно 1% от выхода бомбы, делая испытания усиленной бомбы трудно отличимыми от тестов чистых бомб деления (обнаружение следов трития является почти единственным способом).

    Первым тестом усиленного оружия был Greenhouse Item (45.5 кт, 24 мая 1951),  конструкция oralloy взорвалась на острове Джэнет атолла Эниветок. Это экспериментальное устройство использовало криогенный жидкий дейтерий-тритий вместо газа. Усиление приблизительно удвоило выход энергии по сравнению с ожидаемым, не усиленным значением. Варианты усиления, которые тогда были протестированы, включали в себя использование только дейтериевого газа, а также использование дейтерид/тритида лития, но неизвестно, был ли какой-нибудь из этих подходов использован в реальном оружии.

     Благодаря заметному увеличению выхода (равно как и по другим причинам — таким, как снижение веса системы деления и устранение риска преждевременной детонации) сегодня большинство бомб деления являются усиленными, в том числе те, что используются в качестве первичных устройств в настоящем оружии деления/синтеза. Хотя усиление может многократно повысить выход бомбы деления, она по-прежнему имеет те же фундаментальные проблемы конструирования бомб деления с высоким выходом. Техника усиления является наиболее полезной в небольших бомбах легкого веса, которые иначе имели бы низкую эффективность. Тритий является очень дорогим для производства материалом, и он распадается со скоростью 5.5% в год, но небольшие количества, необходимые для усиления (несколько граммов), делают его использование экономичным.  

Назад к указателю

1.5.2  Оружие ступенчатой радиационной имплозии

    Этот класс оружия также называется оружием «Теллер-Улам» или (в зависимости от типа) оружием деления-синтеза или деления-синтеза-деления.

   Это оружие использует термоядерные реакции с участием изотопов легких элементов (например, водорода и лития), чтобы устранить пределы энергетического выхода дизайнов деления и усиленного деления, уменьшить стоимость оружия за счет уменьшения количества дорогостоящего обогащенного урана или плутония, необходимого для данного выхода, и уменьшить вес бомбы.

   Реакции синтеза происходят в пакете с термоядерным топливом («вторичный модуль»), который физически отделен от триггера деления («первичный модуль»), таким образом создавая двухступенчатую бомбу (первичный модуль деления считается первой ступенью). Рентгеновские лучи из первичного модуля используются для сжатия вторичного модуля через процесс, известный как радиационная имплозия. Вторичный модуль затем поджигается делением «свечи зажигания» в его центре. Энергия, произведенная в результате синтеза второй ступени может быть использована, чтобы поджечь еще большую, третью ступень синтеза. Многоступенчатость в принципе позволяет создавать бомбы практически неограниченного размера.

  Реакции термоядерного синтеза используются для повышения выхода двумя способами:

1. Через непосредственное выделение большого количества энергии в реакциях синтеза;

2. Через использование нейтронов высоких энергий или «быстрых» нейтронов, генерируемых синтезом, для высвобождения энергии деления расщепляющейся оболочки вокруг ступени синтеза. В прошлом эту оболочку часто делали из природного или обедненного урана, так что энергия производится быстрым делением дешевого U-238. Для этой цели также может быть использован торий, хотя он уступает дешевому и изобилующему в природе обедненному урану. Оружие, в котором есть премия по весу и размеру (то есть практически все современное стратегическое оружие) умеренно использует высоко обогащенный уран в качестве материала оболочки.

   Бомбы, которые выделяют значительное количество энергии непосредственно от синтеза, но не используют нейтроны синтеза для деления оболочки вокруг ступени синтеза, называются оружием Деление-Синтез. Если они используют дополнительную стадию деления оболочки нейтронами синтеза, то эти бомбы называются оружием Деление-Синтез-Деление.

    О быстром делении оболочки вторичного модуля в бомбе деление-синтез-деление иногда думают или упоминают его, как «третью ступень» бомбы, и в некотором смысле так оно и есть. Но необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать путаницы с подлинно трехступенчатым термоядерным дизайном, в котором есть еще один, полный третичный модуль синтеза.

  Бомбы, которые относятся к «чистым» (относительный термин) наибольшую часть выхода получают от синтеза. Последняя и самая большая ступень этих бомб всегда является фазой чистого синтеза (не считая делящейся «свечи зажигания»), и в ее оболочке нет расщепляющихся материалов. Доля синтеза в таких дизайнах, как показали испытания, достигала 97% (такой была Царь Бомба, см. ниже).

   Бомбы деление-синтез-деление являются грязными, но они имеют более высокий «бах за доллар» и «бух на фунт». Они генерируют большое количество радиоактивных осадков, поскольку основная часть их выхода приходится на деление.  Так 5 мегатонный тест Redwing Tewa (20 июля 1956, атолл Бикини) имел долю деления 85%. Если акцент делается на дешевизну, то для оболочки обычно используется обедненный или природный уран. Если же акцент на соотношении энергетического выхода и веса (как почти во всем современном, стратегическом оружии), то используется обогащенный уран. 

   Ступенчатая концепция позволяет использовать в качестве топлива чистый дейтерий, или различные смеси лития 6 и 7 в форме соединений с дейтерием (дейтерид лития 6/7). Эти природные, стабильные изотопы намного дешевле, чем искусственно сделанный и радиоактивный тритий.

   Концепция ступенчатой радиационной имплозии изначально была придумана Станиславом Уламом, и затем получила дальнейшее развитие в сотрудничестве между Уламом и Эдвардом Теллером в начале 1950 года. Первым испытанием ступенчатого термоядерного устройства был Ivy Mike 31 октября 1952 года (по среднему Гринвичскому времени — GMT) на острове Элугелэб/Флора атолла Эниветок. Это экспериментальное устройство, названное Сосиской, использовало в качестве топлива чистый дейтерий (вероятно единственный раз, когда это было сделано) и оболочку из природного урана. Оно было разработано в Лос-Аламосе комитетом Panda во главе с Дж. Кэрсон Марком (J. Carson Mark).  Выход Мike составил 10.4 Мт, из которых 77% от деления.

  Идея Теллера-Улама была позднее переоткрыта остальными четырьмя ядерными государствами, каждое из которых испытало и развернуло такое оружие (об этом http://extremal-mechanics.org/archives/3213 - прим. переводчика). Не известно ни одной другой нации, которая развернула бы эти дизайны, хотя не объявленные ядерные силы Израиля и Индии почти наверняка провели опытно-конструкторские работы в этом направлении. 

   Для получения оружия с очень высоким выходом были испытаны и развернуты трехступенчатые конструкции. Первым трехступенчатым испытанием США и, вероятно, первым тестом трехфазного оружия вообще было устройство Bassoon, взорванное в ходе испытания Redwing Zuni (27 мая 1956 GMT, атолл Бикини, 3.5 Мт). Самым большим из когда либо имевших место ядерных взрывов (50 Мт) была Царь Бомба, советское трехступенчатое устройство дизайна деление-синтез-деление-синтез. Оно было взорвано 30 октября 1961 на Новой Земле, на высоте 4 000 м.

  Используя оболочку третьей ступени из не расщепляющегося материала, из трехступенчатых устройств можно изготовить чистое оружие с высоким выходом. Как Zuni, так и Царь Бомба были на самом деле очень чистыми устройствами — Zuni имел 85% синтеза, а Царь Бомба — 97% . Однако обе конструкции допускали замену свинца или вольфрама на U-238 в оболочке третьей ступени. Версия Bassoon, называемая Bassoon Prime, была протестирована в ходе грязного теста Tewa, упомянутого выше.  Это грязное устройство, полученное из Bassoon, было затем доработано, чтобы создать оружие с самым большим выходом, которое когда-либо развертывали США, 25 мегатонную бомбу Mk-41. Исходной конструкцией Царь Бомбы было устройство деление-синтез-деление-синтез-деление с ошеломляющим выходом не менее 100 мегатон !

    Возможна вариация дизайна ступенчатой радиационной имплозии, при которой на второй стадии взрывается фаза деления вместо фазы термоядерного синтеза. Именно в этом заключалась первоначальная идея, разработанная Станиславом Уламом, прежде чем он осознал возможность ее применения к термоядерному оружию. Преимуществом этого подхода является то, что скорость радиационной имплозии в сотни раз выше, а максимальная плотность в десятки раз больше того, чего можно достичь посредством фугасных взрывчаток. Это позволяет добиться большего выхода, чем практически осуществимо для оружия деления, приводимого в действие фугасной взрывчаткой, а также использовать менее обогащенные делящиеся материалы.

   Если для усиления выхода в эту вторую ступень деления включено некоторое количество термоядерного топлива, то получается своего рода гибридный дизайн двухступенчатого и усиленного оружия, который размывает отличие оружия двухступенчатого деления от классического, термоядерного оружия Теллера-Улама. TX-15 «Zombie», разработанный США, первоначально был запланирован стать двухступенчатым, чистым устройством деления, но позднее эволюционировал в такого рода гибридную, усиленную систему. Зомби был протестирован при взрыве Castle Nectar (13 мая 1954 GMT, атолл Бикини, 1.69 Мт) и принят на вооружение, как Mk-15.

Назад к указателю

1.5.3  Дизайн Alarm Clock/Sloika (Слоеный торт)

    Эта идея предшествовала дизайну ступенчатой радиационной имплозии, и видимо была независимо изобретена по крайней мере трижды. Впервые она была разработана Эдвардом Теллером в США, который назвал конструкцию «Alarm Clock» (Будильник). Позднее Андрей Сахаров и Виталий Гинзбург в Советском Союзе наткнулись на нее и окрестили дизайн «sloika». Слойка – это слоистая русская выпечка, скорее как наполеон, поэтому слово было переведено, как «слоеный торт». Наконец, он был разработан Британией (изобретатель неизвестен). Каждая из этих исследовательских программ вооружений наткнулась на данную идею, прежде чем окончательно прийти к более трудному, но более мощному и эффективному, ступенчатому термоядерному дизайну.

     Эту систему Советы назвали «Слоеный торт», поскольку она использует сферическую сборку из концентрических оболочек. В центре находится первичный модуль деления, выполненный из U-235/Pu-239, окружающий его слой из U-238 (возможен другой материал) служит тампером деления, затем слой дейтерида/тритида лития-6, затем тампер синтеза из U-238, и наконец слой фугасной взрывчатки имплозивной системы. Процесс начинается, как направленный внутрь взрыв обычной бомбы. После того, как первичный модуль в центре завершает свою реакцию, выделенная им энергия сжимает и нагревает слой синтеза до термоядерных температур. Затем вспышка нейтронов  деления инициирует спаренную цепную реакцию деление-синтез-деление. Более медленные нейтроны деления производят из лития тритий, который затем вступает в реакцию синтеза с дейтерием, чтобы произвести очень быстрые нейтроны, которые в свою очередь вызывают быстрое деление в тампере синтеза, что еще больше размножает тритий. В результате термоядерное топливо действует, как ускоритель нейтронов, позволяя цепной реакции деления происходить в большой массе обычно не делящегося U-238. Хотя для данного подхода не является строго необходимым добавление в слой синтеза начальной дозы трития, это помогает увеличить выход.

    Достижимая доля синтеза является довольно небольшой, 15-20%, и она не может быть увеличена сверх этого уровня. Термоядерное топливо также используется весьма неэффективно. Данный дизайн имеет такое же ограничение по диапазону энергетического выхода и отношения выхода к весу, как оружие чистого деления и усиленного деления. Советский Союз и Британия сделали это реально доставляемым оружием, прежде чем разработали ступенчатые конструкции, описанные выше. США не стали этим заниматься, отчасти потому, что Теллер не чувствовал, что оно было достаточно разрушительным, чтобы представлять из себя нечто стоящее.

   Первым испытанием этой концепции было устройство, обозначенное РДС-6с (в США известное, как Joe 4), 12 августа 1953 года. Используя тритиевый допинг, оно достигло 10-кратного усиления триггера, при общем выходе в 400 кт. Британское устройство  Orange Herald Small, проверенное в ходе испытания Grapple 2 (31 мая 1957), было аналогичным, но использовало гораздо больший триггер деления (размера 300 кт), по-видимому без трития, ради общего выхода в 720 кт, усиление порядка 2.5 раза. Это, вероятно, стало самым большим испытанием данного дизайна.

   Хотя и, по-видимому, не используемое сейчас ни в каком реальном оружии пяти официально-ядерных держав, это остается жизнеспособным дизайном, который может быть привлекательным для других государств, не имеющих ресурсов для разработки технически более требовательной конструкции радиационной имплозии. Информация, предоставленная Мордехаем Вануну указывает на то, что Израиль, возможно, уже разработал оружие такого типа.

    Вероятно этот дизайн должен рассматриваться отдельно от других классов ядерного оружия. Данная конструкция является чем-то вроде гибрида и может считаться либо разновидностью устройства усиленного деления, или одноступенчатым видом бомбы деления-синтеза-деления.

Назад к указателю

1.5.4  Нейтронные бомбы

  Нейтронные бомбы, которые более формально называются «боеголовками повышенной радиации (ER)», представляют собой малое термоядерное оружие, в котором всплеск нейтронов, генерируемых реакцией синтеза, намеренно не поглощается внутри оружия, так что нейтронам позволяется выйти наружу. Этот интенсивный выброс нейтронов высоких энергий является главным разрушительным механизмом. Нейтроны обладают большей проникающей способностью, чем другие виды излучения, поэтому многие защитные материалы, которые хорошо работают против гамма-лучей, далеко не так хорошо работают против нейтронов. Термин «повышенная радиация» относится только к всплеску ионизирующего излучения, выделившегося в момент взрыва, но не к повышению уровня остаточной радиации в осадках.

    США разработали нейтронные бомбы для использования в качестве стратегического противоракетного оружия, а также как тактическое оружие, предназначенное для использования против бронетанковых сил. Как анти-ракетное оружие, ER были разработаны для защиты пусковых шахт американских МБР от Советских боеголовок, за счет повреждения ядерных компонент падающей боеголовки интенсивным потоком нейтронов. Тактические нейтронные бомбы, в первую очередь, должны убивать солдат, которые защищены броней. Бронированные транспортные средства чрезвычайно устойчивы к ударной волне и теплу, производимыми ядерным оружием, поэтому рабочий диапазон ядерного оружия против танков определяется смертельным диапазоном радиации, хотя она также уменьшается броней. Испуская большое количество смертельной радиации наиболее проникающего вида, ER боеголовки максимизируют смертельный диапазон при заданном выходе ядерной боеголовки против бронированных целей.

    Одной из проблем с использованием радиации в качестве тактического оружия против личного состава является то, что для того, чтобы добиться быстрого выведения мишени из строя, должны применяться дозы радиации во много раз выше смертельного уровня. Доза облучения в 600 рад обычно считается смертельной (она будет убивать по крайней мере половину из тех, кто этому подвергается), хотя в течение нескольких часов никакого эффекта заметно не будет. Нейтронные бомбы были предназначены для доставки дозы в 8 000 рад, чтобы привести к мгновенной и постоянной нетрудоспособности. ER -боеголовка в 1 кт способна сделать это с экипажем танка Т-72 на дистанции 690 м, по сравнению с 360 м для чистой бомбы деления. Для дозы «всего лишь» 600 рад расстояния 1100 м и 700 м соответственно, а для незащищенных солдат облучение в 600 рад происходит с расстояний 1350 м и 900 м. Смертельный диапазон тактических нейтронных бомб превышает смертельный диапазон ударной волны и теплового излучения даже для незащищенных войск.

  Нейтронный поток может вызвать значительное количество короткоживущей, вторичной радиоактивности в окружающей среде в зоне сильного потока вблизи точки взрыва. Легированные стали, используемые в броне, могут создавать наведенную радиоактивность, которая будет опасной в течение 24 — 48 часов. Если танк, облученный нейтронной бомбой в 1 кт с дистанции 690 м (эффективная дальность для мгновенного вывода экипажа из строя), будет сразу занят новым экипажем, то в течение 24 часов они получат смертельную дозу радиации.

    Новые конструкции брони дают более высокую защиту, чем Советский Т-72, против которого первоначально были направлены ER — боеголовки.  Также была разработана и развернута специальная техника брони, поглощающей нейтроны, такие как броня, содержащая борированные пластики и использование автомобильного топлива в качестве щита. Некоторые новые типы брони, как у танка M-1, используют обедненный уран, который может компенсировать все эти усовершенствования, поскольку сам подвергается быстрому делению, генерируя дополнительные нейтроны и становясь радиоактивным.

   Благодаря быстрому ослаблению энергии нейтронов в атмосфере (она падает в 10 раз через каждые 500 м в дополнение к эффектам рассеивания) ER — оружие эффективно только на коротких дистанциях и, следовательно, должно иметь  относительно низкий выход. ER – боеголовки были разработаны так, чтобы свести к минимуму количество энергии деления и произведенный эффект взрыва по отношению к выходу нейтронов. Главной причиной этого была возможность использования в непосредственной близости от дружественных войск. Общее представление о нейтронной бомбе, как о «бомбе лендлордов», которая убивает людей, но оставляет неповрежденными здания, является сильно преувеличенным. На предполагаемой эффективной, боевой дистанции (690 м) взрыв нейтронной бомбы в 1 кт уничтожит или повредит до невозможности использования практически любое гражданское здание. Таким образом, применение нейтронных бомб для остановки атаки противника, которое потребует большого числа взрывов, чтобы накрыть вражеские силы, уничтожило бы также все здания в этом районе.

      Нейтронные бомбы (по крайней мере тактические версии) отличаются от другого термоядерного оружия тем, что единственным топливом синтеза является дейтерий-тритиевая, газовая смесь. Тому есть две причины: при термоядерной реакции D+T 80% энергии выделяется в виде кинетической энергии нейтронов, и это — наиболее простая для зажигания из всех термоядерных реакций. Это означает, что только 20% энергии синтеза достается взрывной волне и тепловому излучению, что создаваемый нейтронный поток состоит из чрезвычайно проникающих нейтронов с энергией 14.7 МэВ, и что для зажигания реакции может быть использован очень малый взрыв деления (250 — 400 тон). Более типичное топливо из дейтерида лития произвело бы гораздо ьольше взрывной волны и вспышки на каждую единицу потока нейтронов, и потребовало бы гораздо большего взрыва деления, чтобы инициировать процесс. Недостатком использования D-T топлива является то, что тритий очень дорог и распадается со скоростью 5.5% в год. В сочетании с  повышенной сложностью это делает ER — боеголовки более дорогими для изготовления и поддержания в рабочем состоянии, чем другие виды тактического, ядерного оружия. Для получения 1 кт выхода от синтеза  требуется 12.5 г трития и 5 г дейтерия. 

    В США были разработаны и изготовлены три нейтронных боеголовки, четвертая была отменена до начала производства. Все они изъяты из арсенала и демонтированы.

•  боеголовка W66 для ракет Sprint стала первой из боевых ER. Она производилась в 1974 — 1975, и была изъята в августе 1975 после нескольких месяцев службы и деактивации противоракетной системы Sprint (было изготовлено около 70). Имела выход в нескольких килотонн (сообщалось о 20 кт), могла использовать, но могла и не использовать D-T топливо.

• боеголовка W70 Mod 3 для ракеты Lance имела общий выход около 1 кт, из которых 60% синтеза и 40% деления. Она производилась в 1981 — 83, и была изъята из арсенала в 1992 году, всего построено 380 штук.

• боеголовка W79 Mod 0 для 8-дюймового, артиллерийского снаряда имела переменный выход от 100 т до 1.1 кт. При самом низком выходе это было чистым оружием деления, при высоком выходе 800 т приходилось на синтез (73%) и 300 т на деление (27%). Она производилась в 1981 — 1986; эта версия начала выводиться из арсенала в середине 80-х, все боеголовки были сняты с вооружения к 1992 году, всего построено 325 штук.

•  артиллерийский снаряд W82 Mod 0 калибра 155 мм, с переменным выходом аналогично W79, был отменен в октябре 1983 и не передавался в производство.

  Известно, что Советский Союз, Китай и Франция разработали конструкции нейтронной бомбы и могли иметь их на вооружении. Ряд докладов утверждают, что Израиль разработал нейтронную бомбу, которая могла бы пригодиться на поле бронетанковой битвы, таком как Голанские высоты, однако ее разработка сложна и требуют значительного тестирования. Это делает маловероятным, что Израиль на самом деле приобрел ее.

Назад к указателю

1.6  Кобальтовая и другие подсоленные бомбы

(В исходном тексте используется термин «salting», который переводится здесь, как «размножающийся» или «размножение». Отсюда игра слов – «подсоленная бомба», придуманная автором. Прим. переводчика)  

   «Подсоленное» ядерное оружие  напоминает оружие деления-синтеза-деления, но вместо делящейся оболочки вокруг термоядерного модуля используется нерасщепляющиеся покрытие из специально подобранных изотопов (кобальт-59 в случае  кобальтовой бомбы). Это покрытие захватывает покидающие синтез нейтроны для размножения радиоактивного изотопа, который скорее максимизирует вред радиоактивных осадков от оружия, чем генерирует дополнительную взрывную силу (и опасные осадки от быстрого деления U-238).

      За счет использования различных изотопов может быть получен различный эффект осадков. Для краткосрочных осадков (дни) было предложено золото, для осадков промежуточной длительность (месяцы) — тантал и цинк, для долгосрочного загрязнения (годы) — кобальт. Чтобы быть пригодными для размножения, родительские изотопы должны изобиловать в природных элемента, а размноженный нейтронами  радиоактивный продукт должен быть сильным излучателем проникающих гамма-лучей.

Таблица 1.6-1  Кандидаты в размножающиеся агенты

Родительский изотоп    естестеств. содержание    радиоактивный изотоп     период полураспада

  Кобальт-59                     100%                          Кобальт-60                      5.26 лет

  Золото-197                     100%                          Золото-198                      2.697 дней

  Тантал-181                     99.99%                       Тантал-182                      115 дней

  Цинк-64                         48.89%                       Цинк-65                          244 дней

    Идея кобальтовой бомбы возникла у Лео Сцилларда, который обнародовал ее в феврале 1950, не как серьезное предложение для оружия, а как замечание о том, что скоро будет в принципе возможно создать оружие, которое способно убить каждого человека на Земле (см. Doomsday Device в вопросах и ответах). Для разработки такого теоретического оружия необходим радиоактивный изотоп, который может быть рассеян по всему миру, прежде чем распадется. Такой разброс продлится от многих месяцев до нескольких лет, так что период полураспада Co-60 является идеальным.

Вред осадков из Co-60 больше, чем от продуктов деления оболочки из U-238, потому что:

1. многие изотопы, произведенные делением, имеют очень короткие периоды полураспада и, таким образом, распадаются до оседания или от них можно защититься в краткосрочных укрытиях;

2. многие изотопы, произведенные делением, имеют очень длительный период полураспада и, следовательно, производят не очень интенсивное излучение;

3. продукты деления вообще не являются радиоактивными. С другой стороны период полураспада Co-60 достаточно долог, чтобы осесть прежде, чем произойдет значительный распад, и сделать бесполезным ожидание в убежищах, но достаточно короток, чтобы производить интенсивную радиацию.

   Первоначально гамма-излучение продуктов деления из эквивалентного размера бомбы деления-синтез-деления является намного более интенсивным, чем Co-60: в 15 000 раз более интенсивным через час, в 35 раз более интенсивным через неделю, в 5 раз более интенсивным через месяц, и почти равным через 6 месяцев. Затем деление быстро спадает, так что через год осадки от Co-60 будут в 8 раз более интенсивными, чем от деления, и через 5 лет в 150 раз более интенсивными. Очень долго живущие изотопы, произведенные делением, снова обгонят Co-60 примерно через 75 лет.

   В качестве альтернативного кандидата на «роль судного дня» был предложен цинк. Преимуществом Zn-64 является то, что более быстрый распад приводит к большей начальной интенсивности. Недостатки в том, что, поскольку он составляет лишь половину природного цинка, последний должен быть изотопно обогащен или выход будет меньше наполовину; что он является более слабым гамма-излучателем, чем Co-60, поставляя только четверть гамма-квантов на то же молярное количество; и что существенные количества распадутся во время распространения по всему миру. Предполагая, что используется чистый Zn-64, интенсивность излучения Zn-65 первоначально будет вдвое больше, чем Co-60. Через 8 месяцев они выровняются, а через 5 лет Co-60 будет в 110 раз интенсивней.

   Пригодное в военном отношении, радиологическое оружие использовало бы локальное (в противоположность всемирному) загрязнение, а также высокие начальные интенсивности для быстрых эффектов. Длительное загрязнение также нежелательно. В свете этого Zn-64 возможно лучше подходит для военного применения, чем кобальт, но вероятно уступает танталу или золоту. Как было отмечено выше, обычные «грязные» бомбы синтеза-деления имеют очень высокую начальную интенсивность излучения и также должны рассматриваться, как радиологическое оружие.

    Ни кобальтовые и никакие другие «подсоленные» бомбы никогда не испытывались в атмосфере и, насколько это известно публично, ни одна из них никогда не была построена. В свете доступности бомб деления-синтеза-деления оружие, специально нацеленное на загрязнение радиоактивными осадками, едва ли будет когда-либо разработано.

    Британцы проводили испытание бомбы, которая включала в себя кобальт в качестве экспериментального радиохимического маркера (Antler/Round 1, 14 сентября 1957 года). Это 1 кт устройство было взорвано на полигоне Tadje, в Maralinga, Австралия. Данный эксперимент рассматривался, как неудавшийся и не повторялся.

Carey Sublett, перевод Дмитрия Зотьева,  назад к указателю.

вернуться к началу книги и списку опубликованных секций http://extremal-mechanics.org/archives/3047

NWFAQ: 1.0 Типы ядерного оружия: 5 комментариев

  1. Следует подчеркнуть, что Лео Сцилард никогда не предлагал создать такое отвратительное, зловещее оружие, как кобальтовая бомба. Он рассматривал его умозрительно, скорее как предупреждение о том, чтобы политики и военные не заигрались в холодную войну. Реально этим устройством был увлечен только безумный Доктор Стрэйнджлав, персонаж черной комедии Кубрика «Как я перестал бояться и полюбил бомбу» (1964г.).

  2. 1) Ни РДС-6с, ни РДС-27 не содержали промежуточного слоя между 235 и лидочкой.
    2) В них плутоний не применялся.
    3) Для имплозии использвался ТГ — особо бризантная, а не фугасная взрывчатка.
    4) В шестёрку можно было трития затолкать и втрое больше — и соответственно доля синтеза бы подросла до четверти.
    5) Лидочка в шестёрке сгорела на треть — хорошая эффективность.
    6) Ограничения для дизайна слойки по мощности сдвинуты на порядок относительно чисто делительных систем.
    7) Этот дизайн привлекателен для котлов взрывного сгорания высокой мощности.
    8…) Ну хоть рассекреченное бы почитали перед написанием статьи …

    • Автор статьи — Cary Sublett, а не я. Я только перевел ее. Не думаю, что эти якобы рассекреченные материалы были такими, когда Sublett писал свой труд. Я также сильно сомневаюсь, что детали устройства термоядерного боеприпаса когда-либо рассекречивались где-либо. Буду признателен за достоверные сведения. И читайте в другой раз внимательнее ))

    • Введите в Google: Cary Sublett Nuclear weapon: Frequently asked questions и получите нужную ссылку ))