Лебедь

Источник изображения:  http://www.seattlepi.com

    Широко известна схема сферической имплозии делящегося ядра (pit) в первом устройстве The Gadget, взорванном 16 июля 1945 в ходе испытания Trinity — «Троица», и вскоре, уже в виде бомбы Fat Mаn, уничтожившем город Нагасаки.  Эта же схема использовалась в первых серийных атомных бомбах Mark — 4,5,6 производства США, а также Советских РДС — 1,2,3,4,5. 

   Для равномерного сжатия полого шарика из плутония или композита Pu^{239}_{94} + U^{235}_{92}, имеющего массу 5-15 кг и радиус в несколько см, мало обложить тампер со всех сторон химической взрывчаткой. Проблема в том, что от каждой точки «зажигания» распространяется сферическая волна детонации. Это препятствует формированию фронта взрывного сжатия, сходящегося к центру сборки. Приходится использовать т.н. взрывные линзы, выполненные из медленной и быстрой взрывчатки, у которых скорости детонации варьируются от 5 до 8 км/сек. На рис. 2 медленная взрывчатка изображена более темным цветом, а анимация помогает понять принцип формирования сферической волны сжатия. 

 

Рис. 2.  Схема формирования сферической волны сжатия. 

На рис. 3 виден сферический тампер с делящимся ядром внутри, который состоял из двух толстых оболочек. Внешняя — из алюминия препятствовала отражению ударной волны сжатия от внутренней оболочки, выполненной из урана-238. Плутониевое ядро, заключенное внутри тампера, также имело внутри себя нечто. Это был нейтронный инициатор цепной реакции, в котором при сжатии соединялся полоний с беррилием. Первый элемент излучал альфа-частицы, под действием которых второй начинал испускать нейтроны. На все остальное, с начала цепной реакции до первичного выделения энергии взрыва в рентгеновском диапазоне, уходило порядка микросекунды. При этом около 99% всего выхода в 20 килотонн выделялось в течении последних 40-50 нс !

Рис. 3.  Взрывные линзы в частично разобранной сборке бомбы типа Fat Man.

     Недостатком такого дизайна является большой размер сборки (физического пакета), что собственно дало имя Fat Man — «Толстяк» бомбе, имевшей свыше 1.5 метра в диаметре. 

  Более изысканная схема имплозии Swan (swan — лебедь), использующая  инициированную в двух точках детонацию, прошла первое испытание в 1956 г. Детали этого дизайна до сих пор засекречены. Предположительно формирование сходящейся волны осуществляется с использованием эллипсоидальной, оболочечной формы заряда химической взрывчатки, так что между ним и сборкой остается заполненное воздухом пространство. Равномерное, сферическое обжатие тампера наступает вследствии того, что скорость детонации превышает скорость движения ударной волны в воздухе (рис. 4). За счет этого фронт волны приобретает сферическую форму вблизи поверхности сборки, что также позволяет осуществить равномерную детонацию ее взрывчатой оболочки и, тем самым, усилить сжатие тампера.     

    Можно предположить, что необычное название дизайна — «Лебедь» было подсказано образом взмахнувшего крыльями лебедя. С этим отчасти ассоциируется фронт ударной волны, плавно охватывающий сборку с двух сторон. Делящееся вещество (плутоний или композит) имеет форму относительно тонкой, сферической оболочки, которая сминается в процессе имплозии. За счет увеличения средней плотности делящегося вещества оно приобретает сверх-критическую массу.  

Рис. 4. Схема имплозии дизайна Swan («Лебедь»).  

    Таким образом удалось отказаться от взрывных линз. Темп цепной реакции значительно усиливается нейтронами, которые образуются при термоядерном синтезе газообразных дейтерия и трития, закачанных внутрь сборки. Это позволяет  отказаться от массивного тампера без потери энергетического выхода. Такая схема усиления называется fusion-boosted fission, она была предложена Э. Теллером в 40-х http://extremal-mechanics.org/archives/695. При этом существенно более легкий тампер выполняется не из урана-238, а из хорошо отражающего нейтроны бериллия. В результате удалось уменьшить диаметр имплозивного ядерного боеприпаса до 25 — 30 см. 

 Рис. 5. Схема линейной, двухточечной имплозии.

     На рис. 5 показана схема двухточечной имплозии, которая во многом аналогична «Лебедю», но является значительно более простой и менее эффективной.  

     Относительно современное изделие конца 80-х (учитывая общее старение ядерных арсеналов), последний из разработанных в США боеприпасов, термоядерная боеголовка W88 использует для своего primary гибридную схему. По-видимому, она объединяет черты «Лебедя» и линейной имплозии (рис. 5). Делящееся вещество имеет форму эллипсоидальной оболочки, имплозирующий заряд быстрой взрывчатки также выполнен в форме эллипсоида. О структуре его внутренней полости ничего не известно. Очевидно с помощью компьютеров она была рассчитана так, чтобы обеспечить равномерное обжатие тампера ударной волной, сходящейся с двух сторон от точек инициации.

      Как и следовало ожидать, устройство основано на концепте Теллера-Улама. Пушер он же тампер secondary выполнен из урана-235, который отлично делится нейтронами любых энергий. Это усиливает мощность взрыва — весьма значительную для столь компактного физического пакета. Роль «свечи зажигания» для термоядерного синтеза играет полый шар из U^{235}_{92}, расположенный внутри полости с дейтеридом лития, который на 95% обогащен изотопом Li^6_3 . Следует также отметить, что primary и secondary заключены в оболочку из урана-238. С одной стороны она играет роль hohlraum-а в процессе радиационной имплозии, а другой — существенно добавляет к выходу энергии и радиоактивных осадков. Хотя можно насчитать 4 фазы в работе W88, данное устройство является двухступенчатым. 

Рис. 6. Предположительная схема боеголовки W88.

Внешняя оболочка боеголовки W88 является конусом с высотой 1.75 м и диаметром основания 0.55 м. Ее выход в 475 Кт не впечатляет на фоне мегатоннажа боеприпасов 50-х и 60-х годов http://extremal-mechanics.org/archives/706, но почти в 40 раз превышает мощность взрыва бомбы Little Boy над Хиросимой ! Однако, точность наведения с круговым вероятностным отклонением (КВО) 100-150 м позволяет использовать это оружие не только и не столько для уничтожения беззащитных городов с гражданским населением, сколько для поражения пусковых шахт МБР, подземных центров управления и других укрепленных, военных объектов. 

   Боеголовками W88 оснащены БРПЛ Трайдент-2 (D5). Эти ракеты способны нести восемь W88 с раздельным наведением на цели. Cегодня они оснащены не более, чем четырьмя боеголовками каждая, согласно договору об ограничении стратегических наступательных вооружений 2002 года. С W88 связана скандальная история о краже Китаем термоядерных секретов США, родившаяся в американской прессе в 1999г и, по-видимому, имеющая под собой основания http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2012/09/RL30143.pdf. 

 Дмитрий Зотьев

Лебедь: 6 комментариев

  1. Следует заметить, что статья «Ядерное оружие» в Википедии была в основном написана Дмитрием Зотьевым, хотя и дополнялась другими авторами (как это принято в Википедии). Ему также принадлежат другие тексты в интернете, имеющие сходство со статьей «Лебедь» или отдельными фрагментами публикаций на сайте «Экстремальная механика». Таким образом, здесь нет копипастов кроме рисунков, и все тексты являются авторскими.

  2. Статья безусловно интересная и оригинальная, и разумеется с неточностями)
    Из тех, которые бросаются в глаза — 1)боеголовка в форме конуса — это конечно любопытно весьма, конус (не усеченный, а какой нарисован) будет кувыркаться на участке спуска и под конец развалится нахрен, либо его начинка уж точно не выдюжит)
    2) Ну гадать, «что там внутри» конечно забавно — но перечисленные автором вещества лучше не хранить во всяких там «скляночках-колбочках», как описано в статье — их хранение и доставка к месту назначению — ИМХО — отдельный злое*чий геморрой))
    Что еще — ну еще, что подобного рода установки (а это именно сложнейшие установки, главным образом,выполняющие функцию хранения всей закачанной, залитой и засунутой туда бяки) НЕ ДОЛЖНЫ применяться в военном качестве — ВООБЩЕ НИКАК….

    • И тем не менее, оболочка боеголовки имеет форму конуса, а кувыркания блокируются микро-двигателями ориентации. Они же позволяют регулировать угол входа в атмосферу. Не понимаю, о каких скляночках-колбочках Вы пишите. Я таких глупостей не писал. Пишите пожалуйста конкретно, что не так и как должно быть «так», если Вы знаете.

  3. Блин, такуую портянку напостил, а она не отправилась(
    Коротко тогда.
    Конус и микродвигатели — может быть так и делают, но реально делается значительно проще
    http://makeyev.ru/rocspace/rkkvolna/migrav
    Впрочем, если конус не круглый и не прямой — такой аппарат тоже интересен, но его можно назвать «летающее крыло».
    Под «скляночкой» я имел ввиду ампулу высокого давления для хранения «водорода» (в ассортименте)))) ) .
    Зачем его хранить там, если можно хранить в виде гидрида, или даже оксида))))

    • Комментарии проходят премодерацию, возможно поэтому Вам показалось, что «портянка» не отправилась. Но я портянок не видел ))

    • В статье обсуждаются принципы работы ядерных боеприпасов, а не устройство боевой части МБР. Поэтому Ваши возражения не попадают в тему.