NWFAQ: 2.0 Введение в физику ядерного оружия и дизайн

Взрослая ядерная вспышка. Внизу танки и другие объекты испытания. 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

2.1 Физика оружия деления
2.1.1 Природа процесса деления
2.1.2 Критичность
2.1.3 Временная шкала реакции деления
2.1.4 Базовые принципы дизайна оружия деления
2.1.4.1 Техника сборки — достижение сверхкритичности
2.1.4.2 Инициирование деления
2.1.4.3 Предотвращение дисассемблирования и увеличение эффективности
2.2 Физика оружия синтеза
2.2.2 Базовые принципы дизайна оружия синтеза
2.2.2.1 Конструкции, использующие реакции Дейтерий+Тритий
2.2.2.2 Конструкции, использующие другое топливо

  Обсуждения физических принципов, в частности ядерной физики, неизбежны в большинстве разделов этих FAQ. В этом разделе я излагаю основные принципы, стоящие за любым ядерным оружием, хотя некоторое знакомство с физикой предполагается. Секция 4 более детально посвящена проектированию и конструированию ядерного оружия, и физические обсуждения там можно считать продолжением Секции 2.

 2.1 Физика оружия деления

    Ядерное деление происходит, когда ядра определенных изотопов очень тяжелых элементов, изотопы урана и плутония например, захватывают нейтроны. Ядро такого изотопа является едва стабильными, и добавление небольшого количества энергии одним внешним нейтроном заставит его быстро разделиться на два примерно равных куска, с выделением большого количества энергии (180 МэВ непосредственно доступной энергии) и нескольких новых нейтронов (в среднем 2.52 для U-235 и 2.95 для Pu-239). Если в среднем один нейтрон от каждого деления захватывается и успешно производит деление, то возникает самоподдерживающаяся, цепная реакция. Если в среднем больше, чем один нейтрон от каждого деления запускает другое деление, то число нейтронов и скорость производства энергии будут увеличиваться в экспоненциальной зависимости от времени. Прежде чем деление сможет быть использовано для создания мощного взрыва, должны быть выполнены два условия:

1) число нейтронов, потерянных для деления (из не производящих деление нейтронных захватов или покинувших делящуюся массу) должно поддерживаться низким, и

 2) скорость, с которой происходит цепная реакция должна быть очень высокой.

Бомба деления находится в гонке сама с собой, чтобы успешно разделить большую часть материала в бомбе, прежде чем оно разлетится на части. Степень, до которой конструкция бомбы преуспевает в этой гонке, определяет ее эффективность. Плохо спроектированная или неправильно работающая бомба может сделать «пшик» и выделить лишь малую часть своей потенциальной энергии.

2.1.1 Природа процесса деления

    С нейтроном, который проносится  рядом, атомное ядро взаимодействует двумя основными способами. Оно может рассеять нейтрон – отклоняя нейтрон в другом направлении и отнимая у него часть кинетической энергии. Или оно может захватить нейтрон, который, в свою очередь, способен воздействовать на ядро различными способами — поглощение и деление являются здесь наиболее важными. Вероятность того, что некоторое ядро рассеет или захватит нейтрон измеряется его сечением рассеяния и сечением захвата соответственно.  Общее сечение захвата может быть разделено на другие сечения — сечение поглощения и сечение деления.

  Устойчивость атомного ядра определяется его энергией связи — количеством энергии, которое требуется, чтобы его разрушить. Каждый раз, когда нейтрон или протон захватывается ядром атома, ядро перестраивает свою структуру. Если при перестройке выделяется энергия, то энергия связи уменьшается. Если энергия поглощается, то энергия связи увеличивается.

   Наиболее важные для крупномасштабного выделения энергии через деление изотопы – это уран-235 (U-235), плутоний-239 (Pu-239) и уран-233 (U-233). Энергия связи этих трех изотопов настолько низкая, что, когда захватывается нейтрон, выделяющаяся при перестройке энергия превосходит ее. Такое ядро больше не является стабильными и должно либо сбросить излишек энергии, либо разделиться на два куска. Поскольку деление происходит независимо от кинетической энергии нейтрона (т.е. чтобы разрушить ядро никакая дополнительная энергия движения не нужна), это называется «медленным делением».

   В отличие от этого, когда распространенный изотоп уран-238 захватывает нейтрон, после внутренней перестройки он по-прежнему имеет дефицит энергии связи 1 МэВ. Если он захватывает нейтрон с кинетической энергией свыше 1 МэВ, то эта энергия плюс энергия, высвобожденная при перестройке, могут преодолеть энергию связи и вызвать деление. Это называется «быстрым делением», поскольку требуется быстрый нейтрон с большой кинетической энергией.

   Медленно делящиеся изотопы имеют большие сечения нейтронных делений для нейтронов всех энергий, имея при этом малые сечения для поглощения. Быстро делящиеся изотопы имеют нулевое сечение деления ниже определенного порога (1 МэВ для U-238), но выше этого порога сечение резко увеличивается. Хотя вообще, медленно делящиеся изотопы делятся лучше, чем быстро делящиеся изотопы для нейтронов всех энергий.

    Общей тенденцией среди элементов является то, что отношение нейтронов к протонам в атомном ядре увеличивается с атомным номером элемента (число протонов, которое содержит ядро, определяет то, каким элементом оно является). Для стабилизации ядра более тяжелые элементы требуют относительно больше нейтронов. Когда ядра тяжелых элементов, таких как уран (атомный номер 92) расщепляются, то фрагменты, имеющие более низкие атомные номера, будут иметь избыточные нейтроны. Возбужденные осколки очень быстро сбрасывают эти нейтроны.  В среднем производится больше нейтронов, чем потребляется при делении.

    Деление представляет собой статистический процесс. Ядро редко распадается на куски с почти одинаковой массой и атомным номером. Вместо этого, как размеры так и атомные номера фрагментов имеют гауссово распределение вокруг двух средних (одно для более легкого фрагмента около 95, одно для более тяжелого около 135). Аналогичным образом, число производимых нейтронов варьируется от нуля до шести и более, и их кинетическая энергия колеблется от 0.5 МэВ до более 4 МэВ,  наиболее вероятная энергия 0.75 МэВ, средняя (она же медиана) составляет 2 МэВ.

Распределение энергии, выделяющейся при делении, приводится ниже:      МэВ                                            

Кинетическая энергия осколков деления                                                          165 +/- 5

Мгновенные гамма-лучи                                                                                      7 +/- 1

Кинетическая энергия нейтронов                                                                      5 +/- 0.5

Бета-частицы из продуктов распада                                                                  7 +/- 1

Гамма-лучи из продуктов распада                                                                      6 +/- 1

Нейтрино из продуктов распада                                                                         10

ИТОГО                                                                                                                   200 +/- 6

   Все кинетическая энергия выделяется в окружающую среду мгновенно, как и большинство мгновенных гамма-лучей. Неустойчивые продукты деления высвобождают энергию распада с различными скоростями, некоторые почти сразу. В конечном счете около 180 МэВ реально доступны для генерации ядерного взрыва, остальная часть энергии распада с течением времени проявляет себя, как радиоактивные осадки (или уносится практически незаметными нейтрино).

Назад к указателю

2.1.2 Критичность

     Нейтрон, входящий в чистый кусок одного из медленно делящихся изотопов, будет иметь высокую вероятность вызвать деление по сравнению с вероятностью непроизводительного поглощения.  Если этот кусок большой и достаточно компактный, то скорость вылета нейтронов через его поверхность будет настолько низкой, что он становится «критической массой», т.е. массой, в которой происходит самоподдерживающаяся, цепная реакция. Нерасщепляющиеся материалы, смешанные с этими изотопами, как правило, бесполезно поглощают часть нейтронов и увеличивают необходимый размер критической массы или, может быть даже, делают невозможным ее достижение вообще. 

     Типичные значения критической массы для голых (без отражателей) шаров из расщепляющихся материалов: 

U-233                                         16 кг

U-235                                         52 кг

Pu-239 (альфа-фаза)                10 кг

Назад к указателю

2.1.3 Временная шкала реакции деления

       Время, затраченное на каждое звено в цепной реакции, определяется скоростью нейтронов и расстоянием, которое они путешествуют, прежде чем быть захваченными. Это среднее расстояние называется длиной свободного пробега. В делящихся материалах при максимальной нормальной плотности длина свободного пробега для деления примерно равна 13 см для 1 МэВ нейтронов (типичная энергия нейтронов деления). Эти нейтроны перемещаются  со скоростью 1.4\cdot 10^9 см/сек, давая среднее время между поколениями деления около 10^{-8} сек (10 наносекунд), эта единица времени иногда называется «shake» («шейк»). Длина свободного пробега для рассеяния составляет всего 2.5 см, поэтому в среднем нейтрон  5 раз рассеивается, прежде чем вызвать деление.

Изотоп           плотность           M.F.P. нейтрона 1 МэВ (см)

U-233                18.9                               10.9

U-235                18.9                               16.5

Pu-239              19.4                               12.7

(M.F.P. – длина свободного пробега, прим. переводчика)

Это показывает, что в одних изотопах деление происходит быстрее, чем в других.  Скорость размножения нейтронов может быть рассчитана через коэффициент размножения k, который определяется по формуле:

k = f — (lc + le)

где   f =  среднее число нейтронов, генерируемых при одном делении

        lc = среднее число не захваченных нейтронов (на одно деление)

        le = среднее число нейтронов, покинувших сборку (на одно деление)

  При k = 1 сборка является в точности критической и цепная реакция будет самоподдерживающейся, хотя ее темп возрастать не будет. При к>1 сборка  суперкритическая и скорость реакции постоянно растет. Чтобы сделать эффективную бомбу k должно быть как можно больше, обычно где-то около 2, когда цепная реакция стартует.

  При обсуждении деления цепную реакцию часто описывают, как происходящую дискретными поколениями. Поколение ноль имеет 1 нейтрон, поколение один имеет 2 нейтрона, поколение два имеет 4 нейтрона и т. д., пока, скажем, не разделится 2\cdot 10^{24} атомов – что производит 20 килотон энергии. Формула для этого:

Число разделенных атомов = 2^{n-1}, где n  - номер поколения.

Таким образом из 2\cdot 10^{24} = 2^{n-1} следует, что n=\log_2 (2\cdot 10^{24})+1=81.7 поколений. То есть, чтобы завершить процесс деления в бомбе 20 кт требуется 82 поколения, если реакция начинается с одного нейтрона.

     Этот расчет является полезным упрощением, но, на самом деле, процесс деления не распадается на отдельные шаги, так что каждый завершается прежде, чем начинается другой. В действительности это непрерывный процесс, последнее поколение нейтронов начинает создавать следующее поколение еще тогда, когда само только формируется нейтронами от более старых поколений. Таким образом, точный расчет требует использования формул, полученных из дифференциального исчисления.

   Мы получаем, что как число нейтронов присутствующих в сборке (и, таким образом, мгновенная скорость реакции деления), так и число делений, которые произошли после начала реакции, увеличиваются со скоростью, пропорциональной e^{(k-1) t/g}, где e – основание натуральных логарифмов (2.712 …), g есть среднее время генерации (время от испускания нейтрона до захвата деления),  t — истекшее время.

   Если k = 2, то один нейтрон размножится до 2\cdot 10^{24} нейтронов (и разделит такое же количество атомов) через примерно 56 шейков (560 нс), выделяя 20 килотон энергии. Это время на треть меньше, чем в предыдущем, приблизительном расчете. Из-за экспоненциальной скорости роста, к любому моменту цепной реакции 99% энергии высвободились за последние 4.6 поколения. Разумным приближением будет рассматривать первые 53 поколениях, как латентный период, приводящий к фактическому взрыву, который занимает всего 3 — 4 поколения.

      Чрезвычайно быстрое возрастание скорости деления по мере развития реакции имеет несколько важных последствий, которые следует отметить. Чем больше времени требуется нейтрону, чтобы вызвать деление, тем менее существенным будет его вклад в процесс цепной реакции. Это происходит потому, что его потомство быстро обгоняют по численности потомки нейтронов, которые раньше подверглись захвату деления. Таким образом, более быстрые, более энергичные нейтроны вносят непропорциональный вклад по сравнению с медленными нейтронами. Это называется «временным поглощением», поскольку оно имеет тот же эффект, что и поглотитель нейтронов с сечением, обратно пропорциональным скорости. Аналогично, если нейтрон покидает критическую массу и затем рассеивается обратно, то его вклад также будет значительно меньшим.

Назад к указателю

2.1.4 Базовые принципы дизайна оружия деления

    Основными проблемами, которые необходимо решить, чтобы сконструировать оружие деления, являются следующие:

1. Удержать делящийся материал в субкритическом состоянии до детонации;

2. Собрать делящийся материал в сверхкритическую массу, предохраняя его нейтронов;

3. Ввести нейтроны в критическую массу, когда она находится в оптимальной конфигурации (т.е. при максимальной сверхкритичности);

4.  Удержать эту массу от разлета, пока не разделится значительная часть материала.

   Одновременное решение проблем 1, 2 и 3 сильно осложняется неизбежным присутствием нейтронов, возникающих естественным образом. Хотя космические лучи изредка генерируют нейтроны, почти все «фоновые» нейтроны происходят из самого делящегося материала в процессе спонтанного деления. Из-за низкой стабильности ядер расщепляющихся элементов, эти ядра иногда делятся без попадания нейтрона. Это означает, что расщепляющийся материал сам периодически испускает нейтроны.

    Чтобы иметь разумные шансы на успех, процесс сборки сверхкритической массы должен происходить в течение значительно меньшего времени, чем средний интервал между спонтанными делениями. Эту задачу трудно осуществить из-за очень большого изменения реактивности, необходимого для перехода от субкритического состояния в сверхкритическое. Время, необходимое для повышения значения k от 1 до максимального значения 2 или около этого, называется временем включения реактивности или просто временем включения.

    Это осложняется еще и проблемой субкритического размножения нейтронов. Если субкритическая масса имеет k равный 0.9, то нейтрон в этой массе (в среднем) будет создавать цепную реакцию, которая затухнет в среднем через 10 поколений. Если масса очень близка к критической, скажем k = 0.99, то каждый нейтрон спонтанного деления создаст цепочку, которая продлится 100 поколений. Эта живучесть нейтронов в субкритический массе еще больше сокращает временное окно для сборки. Требуется, чтобы в этом окне реактивность массы увеличилась от значения меньше, чем 0.9, до значения 2 или около этого.

   Просто разделить сверхритическую массу на две одинаковые части, и быстро собрать эти куски вместе вряд ли получится, поскольку ни один из кусков не будет иметь достаточно низкого значения k, а время включения не будет достаточно быстрым при достижимой скорости сборки.

Назад к указателю

2.1.4.1 Техника сборкидостижение сверхкритичности

      Ключ к достижению целей 1 и 2 находится в том факте, что критическая масса (или сверхкритическая масса) делящегося материала обратно пропорциональна квадрату его плотности. Придумав подкритическое расположение делящегося материала, средняя плотность которого может быть быстро увеличена, мы сможем вызвать стремительное, резкое увеличение реактивности, необходимое для создания мощного взрыва. В качестве общей рекомендации: подходящая, сильно сверхкритическая масса должна быть по крайней мере в три раза тяжелее, чем масса равной плотности и формы, которая является просто критической. Таким образом удвоение плотности ядра, которое является слегка подкритическим (тем самым превращение его в почти четыре критических массы) обеспечивает достаточное для бомбы включение реактивности.

   Для осуществления этой идеи были использованы два общих подхода: имплозивная сборка и пушечная сборка. Имплозия способна дать очень короткое время вставки, пушечная сборка происходит намного медленнее.

2.1.4.1.1 Имплозивная сборка

   Основная идея имплозивной сборки состоит в том, чтобы сжать подкритическую — сферической или, иногда, цилиндрической формы — делящуюся массу с помощью специально разработанных, взрывчатых веществ. Имплозия работает за счет инициирования детонации взрывчатых веществ на их внешней поверхности, так что волна детонации движется внутрь. Аккуратная конструкция позволяет создавать гладкие, симметричные, ударные волны сжатия. Эта ударная волна передается на делящееся ядро и сжимает его, увеличивая плотность до состояния сверхкритичности.

  Имплозия может быть использована для сжатия сплошных ядер из делящегося материала или полых ядер, в которых делящийся материал образует оболочку. Легко понять, каким образом взрыв может увеличить плотность полого ядра — он просто сдавливает полость. Хотя сплошное металлическое тело также можно существенно сжать мощными ударными волнами. Высокопроизводительная взрывчатка способна генерировать давление ударной волны от 400 кбар (400 000 атмосфер), сходимость имплозии и другие методы концентрации могут усилить это до несколько мегабар. Это давление может теснее сжать атомы между собой и повысить плотность в два раза от нормы или даже больше (теоретическим пределом для ударной волны в идеальном, одноатомного газе является  четырехкратное сжатие, практический предел всегда ниже).

      Эта сходящаяся волна имплозии может сжимать сплошной кусок урана или плутония с коэффициентом от 2 до 3. Сжатие происходит очень быстро, обычно обеспечивая время включения в диапазоне от 1 до 4 микросекунды.  При этом период максимального сжатия длится меньше, чем микросекунду.

   Двукратное сжатие повысит слегка подкритическую сплошную массу до почти четырех критических масс. Конструкция такого сплошного ядра была использована для Gadget, первого ядерного взрыва из всех когда-либо испытанных, и Fat Man, атомной бомбы, сброшенной на Нагасаки. На практике конструкции с полым ядром также достигают большей плотности, чем нормальная (т.е. они не полагаются только на сжатие полого ядра).

   В дополнение к основной цели достижения сверхкритичности, сжатие имеет еще один важный эффект. Повышенная плотность уменьшает свободный пробег нейтронов, который обратно пропорционален плотности. Это сокращает временной период каждого поколения и позволяет осуществить более быструю реакцию, которая может развиться дальше до того, как сборка разлетится. Имплозия, таким образом, значительно повышает эффективность бомбы.

Основными преимуществами имплозии являются:

a) высокая скорость включения — это позволяет использовать материалы с высокой скоростью спонтанного деления (например, плутоний);

b) высокая достигнутая плотность, что приводит к очень эффективной бомбе и позволяет делать бомбы из относительно малого количеством материала;

с) потенциал для конструкций с легким весом — в лучших дизайнах требуется всего несколько килограммов взрывчатки, чтобы сжать ядро.

Основным недостатком является ее сложность и точность, требуемая для того, чтобы заставить бомбу работать. Имплозивный дизайн нуждается в обширных исследованиях и тестировании, требует высокоточной обработки и электроники.

      2.1.4.1.2  Пушечная сборка

   Сборка критической массы за счет выстреливания одного куска делящегося материала в другой является очевидной идей и  была первым подходом, разработанным для конструкции бомбы деления. Но, вероятно, не очень ясно, как вы возьмете две подкритических массы и получите эквивалент трех критических масс, сводя их вместе.

   Это можно прояснить, проведя мысленный эксперимент. Представьте себе, что сферическое ядро составлено из около трех критических масс делящегося материала. Теперь удалите из ядра сердцевину (подобно сердцевине яблока) с массой чуть меньше, чем критическая. Поскольку центр ядра теперь полый, его эффективная плотность уменьшилась до 2/3 исходной плотности. Так как теперь у нас есть две критических массы, оставшихся в ядре, и снижение плотности приводит к дальнейшему уменьшению в (2/3)^2 = 4/9 раза, теперь ядро содержит только 2\cdot (4/9) = 8/9 критической массы.

    Эти два субкритических куска могут быть соединены вместе путем выстреливания цилиндрического сердечника из пушечного ствола в центр ядра с отлитой в нем полостью. Время вставки будет большим — более 1 миллисекунды. Эта конструкция использовалась в Little Boy, бомбе, сброшенной на Хиросиму (кроме того, что был использован чуть менее эффективный короткий цилиндр, а не сферическое ядро).

    Основным преимуществом пушечной сборки является простота. Она настолько приближена к «защищенному от дурака» дизайну, насколько позволяет артиллерийская технология.

Недостатками являются:

a) отсутствие сжатия, что требует большого количества делящихся материалов и приводит к низкой эффективности;

b) из-за медленной скорости включения могут быть использованы только уран-235 (и возможно U-233);

с) вес и длина пушечного ствола делает оружие тяжелым и довольно длинным.

Назад к указателю

 2.1.4.2 Инициирование деления

    Методы сборки касаются только проблем 1 и 2, быстро перестраивая субкритическую массу в сверхкритическую. Следующая задача состоит в том, чтобы деление происходило тогда, когда это нужно.

    Поскольку нейтроны периодически генерируются спонтанным делением, одним из подходов было бы удерживать сверхкритическую массу вместе после того, как она собрана, пока спонтанные нейтроны не начнут реакцию. Это по крайней мере возможно для пушечной сборки, но неудовлетворительно для имплозии, поскольку сильно сжатое ядро начинает расширяться вскоре после того, как ударная волна затихает. Даже в сжатом ядре цепная реакция деления продолжается около 250 наносекунд, что грубо равно времени максимального сжатия. Поэтому важно инициировать цепную реакцию очень быстро после того, как достигнуто максимальное сжатие или даже чуть раньше.

     Лучший способ - это иметь какой-нибудь генератор нейтронов, работа которого точно синхронизирована с процессом сборки. Для этого были разработаны три общих механизма, каждый из которых использует для генерации нейтронов взаимодействия заряженных  частиц. 

    Первый тип генератора, который следует разобрать, связан с тем фактом, что в бериллии-9 легко выбивается один из нейтронов. Если он подвергается удару альфа-частицы из тех, которые производят некоторые радиоактивные изотопы, то иногда в результате столкновения выделяется нейтрон: 

Be^9+He^4\to Be^8+n+He^4

    Это происходит лишь в 0.008% столкновений, поэтому для достижения потока нейтронов, необходимых для имплозивного оружия, требуется сильный альфа излучатель (например полоний-210). Чтобы обеспечить немедленное начало реакции необходима скорость генерации нейтронов в 10 — 100 миллионов нейтронов в секунду, таким образом, требуется 100 — 1000 млрд. альфа-частиц в секунду (радиоактивный материал на 3-30 кюри). Этот генератор располагается в центре ядра. Умные конструкции (до сих пор засекреченные в США, хотя в настоящее время в открытой литературе есть подробные описания) удерживают эмитент альфа-частиц и бериллий порознь, но позволяют процессу имплозии с необходимой быстротой свести их вместе. Этот тип генератора был использован во всех ранних видах атомного оружия.

    Основная проблема генераторов с бериллий/альфа-излучателем состоит в том, что используемые сильные излучатели имеют очень короткий период полураспада (138.4 дня для Po-210). Таким образом, поддержание арсенала оружия требует постоянного производства и замены генераторов. Кроме того, из-за трудностей с точным управлением процессом смешивания бериллия и полония, трудно аккуратно управлять инициированием реакции деления. Эти типы генераторов имели тенденцию начинать реакцию позднее оптимума.

   В чем-то похожий подход заключается в использовании имплозии для инициирования термоядерных реакций между тритием и дейтерием, генерирующих нейтроны (описано в разделе 2.2 ниже). Может показаться неожиданным, что можно заставить это работать, учитывая известный факт, что для получения температур, которые обычно нужны для термоядерных реакций, необходимы ядерные взрывы. Следующие три соображения преодолевают это препятствие.  

   Во-первых, на самом деле требуется очень низкая скорость синтеза. Достаточно одного нейтрона (и, таким образом, одной реакции синтеза) каждые 10 наносекунд, это скорость, которая составляет лишь около 10^{-24} того, что было бы нужно для настоящего термоядерного взрыва

  Во-вторых, имплозия фокусирует энергию и может достигать очень высоких температур вблизи центра. Теоретически температура в центре бесконечно велика, но отсутствие идеальной симметрии уменьшает ее. Тем не менее, высокоточная имплозия может достигать температуры в несколько сотен тысяч градусов Цельсия.

    В-третьих, скорость атомов в газе или плазме имеет статистическое (Максвелловское) распределение. Очень малая часть атомов может значительно превысить среднюю энергию. Таким образом, достаточное число атомов D-T смеси вблизи центра может достигать энергий синтеза для получения требуемой скорости производства нейтронов.

   Этот тип имплозивной инициации является еще более трудным для конструирования, чем тип Be/Po-210, поскольку для достижения требуемой симметрии требуется очень высокая точность имплозии. Основным преимуществом является то, что не требуется Po-210 с коротким периодом полураспада.

    Более сложная система использует ускоритель частиц с электронным управлением, который называется импульсной нейтронной трубкой. Эти генераторы используют дейтерий+дейтерий или дейтерий+тритий реакции синтеза для производства больших количеств нейтронов. Очень короткая волна тока высокого напряжения ускоряет пучок ядер дейтерия или трития до достаточных энергий, чтобы вызвать реакции синтеза, затем ударяет их о мишень, богатую дейтерием или тритием. Получается короткий импульс, содержащий миллионы нейтронов. Временные параметры (тайминг) этого импульса можно точно контролировать. Из-за большого количества произведенных нейтронов, этот генератор может быть расположен в любом месте оружия с гарантией того, что достаточное количество нейтронов достигнет ядра. Это тот тип инициатора, который обычно используется в большинстве современных видов ядерного оружия.

Назад к указателю

2.1.4.3   Предотвращение дисассемблирования и увеличение эффективности

    К тому времени, как значительная часть атомов разделится, их тепловая кинетическая энергия будет настолько большой, что ядро расширится достаточно для того, чтобы заглушить реакцию в течение нескольких шейков. Это сурово ограничивает эффективность оружия деления (в процентах разделившегося материала). Практический предел эффективности типичной бомбы деления составляет около 25% и может быть намного меньше. Имплозивная бомба Fat Man имела 17% эффективности  (считая только энергию, произведенную делящимся ядром, тампер из природного урана добавил еще 4% за счет быстрого деления). Little Boy имел эффективность только 1.4%. Очень большие бомбы деления могут достигать эффективности, приближающейся к 50%, но они были вытеснены технологией оружия синтеза. Все, что может увеличить время удержания делящегося ядра или уменьшить время жизни одного поколения нейтронов, даже слегка,  может привести к значительному увеличению выхода бомбы.

   Как отмечалось выше, сжатие делящихся материалов посредством имплозии вносит наибольший вклад в эффективность бомбы. Удвоение плотности ядра сокращает длину шейка наполовину, позволяя произвести почти вдвое больше поколений деления в течение короткого периода времени до того, как расширение остановит реакцию.

   Другим подходом к повышению эффективности является снижение скорости расширения за счет лучшего удержания критической массы. Критическую массу окружает слой плотного материала, называемого «тампером» (как правило, сделанного из природного или обедненного урана или вольфрама). «Голая», горячая, критическая масса не расширяется равномерно. Материал в центре этой массы ограничивается давлением внешних слоев массы и, следовательно, поначалу не расширяется. В отсутствие тампера внешняя поверхность массы не удерживается никаким внешним давлением и, таким образом, немедленно начинает быстрое расширение. Материал разлетается на сверхзвуковых скоростях, и волна расширения  движется внутрь со скоростью звука.

   Тампер улучшает сдерживание критической массы по двум причинам. Во-первых, расширяющийся материал должен перенаправить ударную волну через плотный тампер вместо того, чтобы расширяться в вакуум. Это драматически снижает темп расширения.  Во-вторых, слой тампера около массы нагревается  взрывом и оказывает давление на ее поверхность, удерживая массу вместе. Это еще дольше задерживает дисассемблирование, поскольку волна расширения сначала должна пройти через горячий слой тампера, прежде чем делящийся материал сможет начать расширяться.

   Тампер имеет дополнительное преимущество в том, что он также может рассеивать или «отражать» нейтроны обратно в критическую массу после того, как они покидают ее поверхность. Это означает, что меньшее количество делящегося материала  необходимо для того, чтобы получить критическую массу. Однако, в литературе о ядерном оружии важность этого эффекта часто преувеличивается. Только часть нейтронов рассеиваются обратно, и поскольку у нейтронов, которые все-таки возвращаются, чтобы снова войти в критическую массу, на это уходит в среднем несколько шейков, их значение еще больше уменьшается через «время поглощения» (см. раздел 2.1.3). Это отчасти компенсируется тем фактом, что в тампере из  природного урана происходит некоторое размножение нейтронов за счет быстрого деления U-238.

Назад к указателю

2.2. Физика оружия синтеза

   Реакции синтеза, которые также называются термоядерными реакциями, это реакции между ядрами определенных изотопов легких элементов. Если ядра сталкиваются с достаточной энергии (обеспеченной теплом в бомбе, или ускорителем частиц в лаборатории), то существует значительная вероятность того, что они сольются в одно или больше новых ядер с выделением энергии. Различные комбинации ядер имеют различные, присущие им вероятности реакций при столкновении при определенной температуре. На скорость любой реакции синтеза влияет как температура, так и плотность. Чем горячей и плотней термоядерное топливо, тем быстрее «горит» синтез.

    Реакции синтеза, которые происходят в звездах, это не то же самое, что происходит в термоядерном оружии или лабораторных реакторах синтеза. Довольно сложный цикл каталитических реакций синтеза в звездах, который преобразует легкий водород (протий) в гелий, является чрезвычайно медленным, вот почему время жизни Солнца измеряется в миллиардах лет. Реакции синтеза, используемые в бомбах и перспективных конструкциях электростанций, являются простыми и экстремально быстрыми — что очень существенно, поскольку топливо должно быть целиком  израсходовано в течение микросекунд. Эти реакции, таким образом, основаны на тех же общих принципах, что и звездный синтез, но полностью отличаются в деталях.

2.2.1  Кандидаты в реакции синтеза

Наиболее важные для термоядерного оружия реакции синтеза даны ниже:

  1. D + T \to He^4 + n + 17.588   MэВ
  2. D + D \to He^3 + n + 3.268   MэВ
  3. D + D \to T + p + 4.03   MэВ
  4. He^3 + D \to He^4 + p + 18.34   MэВ
  5. Li^6 + n \to T + He^4 + 4.78   MэВ
  6. Li^7 + n \to T + He^4 + n - 2.47   MэВ

[D и T обозначают дейтрон или дейтерий (H^2), и тритон или тритий (H^3) соответственно.]

   При температурах, наблюдаемых в бомбах деления, реакция 1 имеет в 100 раз большую скорость, чем следующий по скорости кандидат (комбинация реакций 2 и 3),  которые, в свою очередь, в 10 раз быстрее, чем реакция 4. Скорости реакций 1 — 4  быстро возрастают (экспоненциально) с температурой, но не в одинаковой пропорции. При более высоких температурах, достигаемых при синтезе, реакция 4 превосходит комбинированную скорость реакций 2 и 3. Другие реакции также происходят между перечисленными здесь изотопами, но скорости этих реакций слишком низки, чтобы иметь существенное значение.

    Некоторые дополнительные, важные факты об этих реакциях:

Нейтрон, производимый в реакции 1, является чрезвычайно энергичным, он уносит 14.06 МэВ энергии, альфа-частица (ядро He^4) — только 3.52 МэВ.

Нейтрон, производимый в реакции 2, имеет энергию только 2.45 МэВ (подобно быстрым нейтронам деления),  при этом He^3 уносит 0.82 МэВ. Распределение  энергии в реакции 3 такое: 1.01 МэВ для тритона и 3.03 МэВ для протона. Две D + D реакции являются равновероятными, и каждая будет происходить в половине случаев.

В реакции 4 альфа-частица уносит 3.67 МэВ, протон — 14.67 МэВ. Реакции 5 и 6, строго говоря, не являются термоядерными. Они являются нейтронными реакциями, подобно делению, и не требуют тепла или давления, только нейтронов в правильном диапазоне энергий. Однако в литературе о ядерном оружии это различие обычно игнорируется. Реакция Li^6 + n нуждается в нейтронах  с энергиями в низком МэВ диапазоне или ниже. Реакция Li^7 + n является существенной только при энергиях выше 4 МэВ.

Назад к указателю

2.2.2. Базовые принципы дизайна оружия синтеза

 2.2.2.1 Конструкции, использующие реакции Дейтерий+Тритий

   При обычных плотностях материала (например жидкий водород, сжатый водород, или богатое водородом твердое вещество) реакция 1,  реакция  D + T, это единственная реакция, которая может в значительном размере происходить при температуре атомной бомбы (50-100 миллионов градусов, температура в центре Солнца всего 14 миллионов градусов!). Эта реакция может быть использована просто за счет того, чтобы позволить взрыву деления нагреть топливо до температур синтеза, при условии умеренного сжатия самой реакцией деления. Нейтроны с высокой энергией, произведенные этой реакцией, используются для «усиления» бомб деления.

     Недостатком использования реакции D + T является то, что тритий радиоактивен и распадается со скоростью 5.5% в год. Это означает, что он не встречается в природе и должен быть изготовлен за счет использования реакции 5 в ядерном реакторе. В программах вооружения тритий должен конкурировать с производством плутония в оружейных реакторах, из-за своего низкого атомного веса изготовление одного грамма трития обходится в 80 раз дороже по сравнению с одним граммом плутония. Производство достаточного количества, чтобы сделать бомбу синтеза с большим выходом, обошлось бы слишком дорого. Распад также означает, что он должен постоянно обновляться. Эта реакция, использующая произведенный в реакторах тритий, применялась в нейтронных бомбах с низким выходом, в которых большое количество трития не является необходимым.

   Производство трития в результате реакции 5 также может осуществляться в атомной бомбе с помощью нейтронов, которые покидают критическую сборку. Этот подход был использован в первой водородной бомбе, испытанной Советами. Хотя большая бомба не может быть изготовлена с использованием этого метода, потому что там производится недостаточно нейтронов. В среднем каждое деление производит примерно один лишний нейтрон и выделяет 180 МэВ энергии. Если этот лишний нейтрон захвачен ядром Li^6, производя один атом трития, который затем вступает в синтез, то мы получаем общий выход энергии на 22.4 МэВ. Мы могли бы ожидать тогда, что выход синтеза будет не более 10% от триггера деления. Если бы энергия синтеза была единственными вкладом в выход бомбы, то не было бы никакого смысла в использовании этой техники. Нейтрон 14.1 МэВ из реакции D + T, однако, может вызвать деление в U-238, который используется в тампере деления.  Эта дополнительная реакция деления удваивает выход бомбы. Из-за низкого выхода синтеза, присущего этой конструкции, ее можно рассматривать, как разновидность оружия деления, усиленного синтезом.  

Назад к указателю

2.2.2.2  Конструкции, использующие другое топливо

   В военном отношении желательно использовать топливо, которое дешевле и является более стабильным, чем тритий. Дейтерий, единственное топливо в реакциях 2 и 3, является относительно дешевым (особенно учитывая его огромный запас энергии) и полностью стабильным. Чистый дейтерий был использован по крайней мере в одном испытании оружия синтеза — Ivy Mike, пожалуй первом настоящем взрыве оружия синтеза в истории (1 ноября 1952). К сожалению дейтерий, как и весь основной водород, трудно хранить. Он должен быть либо сильно сжатым, либо сжиженным при экстремально низких температурах. Эта проблема может быть решена путем химического соединения дейтерия с литием, с образованием дейтерида лития, стабильного твердого вещества. Дополнительным преимуществом является то, что за счет реакций 5 и 6 литий может сам участвовать в реакциях синтеза.

   Чтобы использовать такое топливо, более медленные скорости реакций должны быть компенсированы сжатием его до плотностей в сотни или тысячи раз больше, чем при нормальных условиях. При любой заданной температуре скорость реакции возрастает пропорционально квадрату плотности, тысячекратное сжатие дает увеличение скорости реакции в миллион раз.

   Работа, необходимая для сжатия газа пропорциональна его температуре (при этих давлениях можно не принимать в расчет физическую прочность материалов и все  считать газом). Чтобы свести к минимуму работу, необходимую для сжатия или, с другой стороны, для достижения максимального сжатия при заданной величине работы, важно предохранить термоядерное топливо от нагрева, пока не будет достигнута желаемая плотность.

   Ключом к созданию больших бомб синтеза является нахождение способа использовать энергию триггера из атомной бомбы для сжатия массы дейтерия, достаточного для того, чтобы реакция D — D стала практичной, с последующим нагреванием этой массы до температур зажигания после того, как достигнута подходящая плотность. Методом осуществления этого является радиационная имплозия, также называемая конфигурацией Теллера-Улама, по именам своих первоначальных со-изобретателей Станислава Улама и Эдварда Теллера (также независимо переоткрытая  Андреем Сахаровым и его коллегами, а также другими в Великобритании, Франции и Китае).

    Конфигурация Теллера-Улама использует тот факт, что при высоких температурах бомбы деления 80% или больше энергии существует в виде мягких рентгеновских лучей, а не кинетической энергии. Перенос энергии излучением от делящегося ядра значительно превышает скорость расширения ядра (только 1 000 км/сек или около этого). Эту энергию можно затем использовать для сжатия и зажигания физически отделенной массы термоядерного топлива (вторая ступень) с помощью радиационной имплозии, прежде чем расширяющийся триггер разрушит ее.

     Принципы конфигурации Теллера-Улама легче объясняются с помощью приведенной ниже схемы.  Оболочка бомбы является приблизительно цилиндрической, с триггером деления на одном конце. Термоядерное топливо (дейтерид лития на этом рисунке) представляет собой цилиндр или эллипсоид, упакованный в пушер/тампер — слой очень плотного материала (урана или вольфрама). Вдоль оси цилиндра с топливом располагается стержень из Pu-239 или U-235, диаметром 2-3 см или около этого. Заполнителем оболочки является слой из пластика или пенопласта. Разделителем триггера с топливным пакетом служит толстый экран из плотного материала (снова U или W).

 Компоненты дизайна Теллера-Улама:

•  внешний корпус (из конструкционных материалов: сталь, алюминий, пластик и т.д.)

•  первичный модуль (триггер деления)

•  радиационный экран (материал с высоким Z: уран или вольфрам, также может содержать бор-10, как поглотитель нейтронов)

•  hohlraum или радиационная камера (материал с высоким Z: уран, свинец, вольфрам и др.)

•  радиационный канал (зазор между корпусом и пушером/тампером синтеза; в основном пустой, часто заполнен пенопластом)

• пушер/тампер (материал с высоким Z: естественный/обедненный уран, HEU (высокообогащенный уран), вольфрам, свинец и т.д.)

•  топливо синтеза (как правило дейтерид Li^6; также естественный дейтерид лития, жидкий дейтерий т.д.)

•  cвеча зажигания (делящийся стержень из HEU или плутония)

    Когда триггер взрывается, рентгеновские лучи, покидая триггер деления, заполняют фотонным газом радиационный канал — пространство между оболочкой бомбы и капсулой синтеза. Это пространство заполнено пенопластом, по существу только углеродом и водородом, который становится полностью ионизованным и прозрачным по мере проникновения рентгеновских лучей. Его внутренняя оболочка и внешняя поверхность капсулы нагреваются до очень высоких температур. Урановый экран между триггером и капсулой синтеза, и пушер/тампер капсулы предотвращают преждевременный нагрев  топлива синтеза.

    Тепловое равновесие устанавливается чрезвычайно быстро, так что температура и плотность энергии равномерно распределяются в радиационном канале. Поскольку поверхность тампера нагревается, он расширяется и аблирует (взрывообразно испаряется с поверхности топливной капсулы). Этот процесс абляции, по существу  вывернутая наизнанку ракета, создает чудовищное давление на топливную капсулу и вызывает ее ускоряющуюся имплозию. Тепловое равновесие обеспечивает равномерное распределение давления имплозии. Прозрачная углеродно-водородная плазма задерживает преждевременное расширение плазмы тампера и оболочки, предохраняя радиационный канал от блокирования этими непрозрачными материалами с высоким Z до тех пор, пока равновесие не установится полностью.

   Сила, которая сжимает и ускоряет термоядерное топливо внутрь, обеспечивается давлением абляции. Два других возможных источника давления — давление плазмы (давление, создаваемое тепловым движением плазмы, заключенной между оболочкой и топливной капсулой) и радиационное давление (давление, создаваемое тепловыми рентгеновскими фотонами) напрямую не влияют на этот процесс.

   Давление, индуцированное рентгеновской радиацией, вызывает цилиндрическую (или сферическую) имплозию капсулы синтеза, состоящей из пушера/тампера, топлива и осевого делящегося стержня. Капсула, вероятно, может быть сжата до 1/30 исходного диаметра для цилиндрического сжатия (1/10 для сферического сжатия) и, таким образом, достигает 1000 — кратного превышения своей первоначальной плотности. Следует отметить, что в этот момент взрывная сила, высвобожденная триггером, количество энергии достаточное, чтобы разрушить небольшой город, используется только для того, чтобы сдавить несколько килограммов топлива!

   Однако маловероятно, что делящийся стержень достигает такого экстремального сжатия. Расположенный в центре, он испытает чрезвычайно сильную ударную волну, которая нагреет его до высоких температур, но сожмет лишь умеренно, увеличивая плотность в 4 раза или около того. Этого достаточно, чтобы сделать стержень сверх-критическим. В зависимости от степени симметрии и физики конкретного процесса коллапса капсулы, возможно достижение более высоких плотностей. Термализованные нейтроны, захваченные термоядерным топливом, которые остались от интенсивного потока нейтронов деления, инициируют цепную реакцию, как только стержень становится критическим. Стержень делится в ускоряющемся темпе, в то время как он и остальная часть топливной капсулы продолжают сжиматься, и действует, как «свеча зажигания» для синтеза. В сочетании с высокой температурой, порожденной сходящейся ударной волной, это поднимает температуру термоядерного топлива вокруг стержня достаточно высоко, чтобы инициировать реакцию синтеза. Горение самоподдерживающегося синтеза затем распространяется наружу. Тампер синтеза препятствует выходу теплового излучения из топлива. В то время, как температура растет, реакции синтеза ускоряются, значительно повышая эффективность горения. Температура, порождаемая горением синтеза, может превышать 300 млн. К, что значительно больше, чем производится делением.

   Топливо в капсуле синтеза состоит из дейтерида лития, который может быть обогащен изотопом Li^6 (что составляет 7.5% от природного лития). Природный литий с успехом использовался в конструкциях термоядерной бомбы, но похоже, что современные дизайны легкого веса используют литий, обогащенный Li^6

    Некоторое количество трития порождается нейтронами деления, но, как отмечалось выше, этот вклад в выход бомбы является незначительным. Гораздо больше трития производят реакции D + D, либо непосредственно реакция 3, либо реакция 5 через нейтроны, произведенные в реакции 2.

   Поскольку скорость реакции D + T является настолько высокой, и существует большой избыток дейтерия, тритий потребляется почти так же быстро, как и производится. Нейтроны 14.1 МэВ также могут производить большое количество трития из Li^7 через реакцию 6.

   Большая часть термоядерного топлива может быть сожжена до того, как расширение погасит реакцию за счет уменьшения плотности, что занимает около 20 — 40 наносекунд. Выходная мощность термоядерной капсулы заслуживает внимания. Крупнейший бомба, которая когда-либо взорвалась, имела выход 50 Мт, почти целиком произведенный на заключительной стадии синтеза. Поскольку 50 Mт составляет 2.1\cdot 10^{17} Дж, мощность, произведенная во время горения, составила около 5.3\cdot 10 ^{24} ватт. Это больше, чем один процент от всей выходной мощности Солнца (4.3\cdot 10 ^{26} ватт) !!! Пиковый выход, возможно, был даже больше.

    Нейтроны 2.45 МэВ и 14.1 МэВ, которые покидают термоядерное топливо, также могут внести значительный вклад в выход бомбы, вызывая деление в сильно сжатом тампере синтеза. Это дополнительное усиление может выделить наибольшую часть энергии взрыва, обычно составляет половину выхода большой бомбы деления-синтеза-деления и может достигать не меньше 85% от общего выхода.

   Бомба синтеза Теллера-Улама, описаная выше, называется «двухступенчатой бомбой». Триггер деления (первая ступень) сжимает капсулу синтеза (вторая ступень). От того, насколько мощным является триггер, зависит предел размера капсулы, которую он может сжать в течении короткого, доступного времени. Если требуется бомба еще большего размера, то термоядерный взрыв вторичного модуля может быть использован для сжатия и взрыва еще большей третьей ступени. Каждая ступень может быть в 10 — 100 раз мощней предыдущей. Бомба в 50 Мт, отмеченная выше, была трехступенчатым оружием.

Carey Sublette, перевод Дмитрия Зотьева назад к указателю

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

NWFAQ: 2.0 Введение в физику ядерного оружия и дизайн: 7 комментариев

  1. Смешно.
    Из чего сделана атомная бомба?
    Атомная бомба сделана из урановой руды?
    Нет атомная бомба сделана из механических кукольных спектаклей. Давным давно когда на земле не было полезных ископаемых были люди и они грешили. Но появилась миссия которая придумаля как избавиться от греха. Это кукольные механические спектакли. Оказывается механическими куклами можно многое исправить. По теории времени куклы могут проникнуть в разные места куда человеку доступ не возможен. Они спасали детей. Дэтэй говорю спасали те люди.
    Все спектакли были на полозьях и электромагнитах полозья смазывали йодом смешанным с ПАВ обесцвеченный компонент клали на рельсы полозья и шестерни играли спектакль. Публика в восторге. Отменяли одно за другим плохие события в жизни. Но со временем от переработки они забыли спектакли и механнику забросили подальше в склад хранилище. Склад дал руду. Оказывается куклы способны электроны руками своими держать и даже собирать. Странных эффектов было полно и магнитное поле и свечения. Так со временем грех стал ураном. А хранилище греха исчезло.
    Это были известнейшие спектакли без участия человека и без единой поломки все проверено более чем 50 раз перед спектаклем. Извествейшая фирма Electronic Arts и спектакль механический Sims и т.д. Все они бывшие участники ядерной программы. Были даже и игрушки мощные акробат медведи с молотком и всякая хр=ен= ь были и ослепляющие разум пидерасты вспышки от которых хуже рентгена и баба с мужиком на двух полозьях лево право тарахалисъ. Были даже эротические спектакли что и создало эфекты ослепляющей вспышки при взрыве атомного оружия. Жужали спектакли трещали вагоны гармошечка рвала басы… Мерзасть какая то… Но билет даже сейчас стоит очень дорого на такую голимотью.
    Атомный взрыв не опасен гриб выростает 3 месяца с середины августа и до ноября. Три месяца чтобы можно было уйти. Гриб все равно все разрушит. Плесень все равно все сожрет. И кто придумал эффект вспышки внезапности? Игры ослепительные для народных масс. Мочить их нужно было в масле моторном чтоб не срипели.
    Так и появилось грешное ядерное оружие. А ведь раньше было лучше. Они все сожрали сами а вы сидите под бомбой. К тому же ЭВМ это не куклы а завершение кукольных спектаклей ЭВМ не способна на такое. А спектакли были почти не выезные. И расчета на оружие не было зато на автоматизацию станков и заводов были вместо людей у станков стояла механника и что то там производила. Все это вшивость и гнездо вшей все как уран. Были эти люди не физики а квантовые механники. И даже сейчас в Дубаях они готовят проект своего небоскреба EA в поисковике на Google есть фотографии и картинки небоскребов Дубаи и есть там одна ФОТКА здание у которого на пентхаосе есть три. Кольцо и три тонеля в центре замкнутые сокращенно круглое EA. Будут строить или не будут не известно. Все это на чушняк похоже и металл какойто льется из полозьев.

  2. Зачем постить подобный бред ? Больше такого не пишите, пожалуйста ))

  3. Спасибо за перевод текста. Читается с огромным удовольствием и интересом.

    • Cпасибо за добрые слова )). К сожалению, я так и не нашел времени, чтобы до конца перевести главу 3, имеющую чисто физическое содержание . Впрочем тем, кого всерьез интересуют формулы, хватит терпения, чтобы читать в оригинале на английском (ссылка в конце статьи http://extremal-mechanics.org/archives/4341). А я все-таки, может быть, сумею пересилить свою лень ))

  4. Вы очаровали меня своим сайтом:) Я не согласен с Вами во многом, скорее политическом, но- сам сайт Ваш- это нечто. Сгрызу весь. Спасибо еще раз. И не лень же было Вам….
    В интернете не так уж много островков разума, Ваш — замечательный!

    • Спасибо на добром слове ))