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: 15 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.

    • Вопросец есть, нигде достаточно чёткого ответа не нашёл: по каким соображениям везде используют тритиевый бустер (с кучей проблем его цены, деградации, и опасности обслуживания)? Что мешает использовать LiD?

      По-идее, в самом начале деления пита Li может и сам трития нагенерить. Ну да, он скушает чуть нейтронов на этот процесс, ну так в начале разгона лавины нейтроны как раз и так лишние.
      Там, где нейтронный импульсный источник применяют — просто вбросить нейтронный импульс чуть пораньше, как раз чтобы скомпенсировать затягивание разгона деления от поглощения нейтронов литием. И расходование лития даже может повысить темп роста критичности, от чего напрямую кпд зависит.
      Ну конечно ясно, что чистый готовый DT будет лучше, но не настолько же, чтобы ради этого всю мороку с тритием затевать?

      Подозреваю, что проблема тут в том, что DT как раз и является импульсным источником нейтронов (типа на полноценный fusion имплозии не хватает, но нейтронный всплеск таки выдаёт)… только, помнится, где-то попадалось про то, что это не особо надёжно и отдельный нейтр.источник всё равно полезен (и почти везде используется, кроме совсем уж мелких БЧ).

      Что я не вижу?

    • Это нужно считать, на пальцах трудно оценить. Видимо, для эффективной генерации нейтронов литием потока нейтронов на начальной стадии цепной реакции недостаточно — нужен полноценный взрыв деления. А смесь D+T начинает излучать нейтроны уже под давлением от имплозии, поэтому она служит дополнительным генератором нейтронов, как Вы справедливо и подозреваете.

    • Также тритиевый бустер служит ОДНИМ ИЗ механизмов регулировки энерговыхода в американских зарядах переменной мощности. Вплоть до полного перекрытия подачи газа в первую ступень.

      По поводу бустинга дейтерием в книге «Укрощение ядра можно встретить следующее:

      «На пути развития ядерных зарядов встречались и трудности. Успешное испытание в конце 1957 года бустинга на основе ДТ-газа поставило важный вопрос об осуществимости в том же заряде бустинга на основе чистого дейтерия. Подобный эксперимент был проведен в начале 1958 года и показал отсутствие в этих условиях эффекта бустирования…»

      Видимо, без трития никак. Иначе бы никто не мудохался с его заменой каждые 5 лет (≈).

      По поводу «неотправления портянок». Заметил, что часто WordPress часто некорректоно работает через Оперу. При этом после неотправления текст пропадает, что неоднократно крайне негативно отражалось на моей клавиатуре. Мне для отправления комментов приходится открывать Хром.

  4. Боевой блок МБР обычно имеет форму конуса, а чтоб он не кувыркался, его после отделения от ступени разведения закручивают вокруг оси маленьким двигателем закрутки. Винтовочная пуля ведь не кувыркается.

    • Да, конечно. Об этом же сказано в комментарии http://extremal-mechanics.org/archives/720#comment-772. Стоит лишь добавить, что перед входом в атмосферу конус может поворачиваться основанием вперед, чтобы сбросить скорость до примерно 10М. Иначе боеголовка сгорит. Хотя если конус затупленный, то она затормозит без разворота. Статья с оценками аэродинамического нагрева боеголовки http://extremal-mechanics.org/archives/9573.

  5. По поводу бустинга дейтерием в книге «Укрощение ядра можно встретить следующее:

    «На пути развития ядерных зарядов встречались и трудности. Успешное испытание в конце 1957 года бустинга на основе ДТ-газа поставило важный вопрос об осуществимости в том же заряде бустинга на основе чистого дейтерия. Подобный эксперимент был проведен в начале 1958 года и показал отсутствие в этих условиях эффекта бустирования…»

    Видимо, без трития никак. Иначе бы никто не мудохался с его заменой каждые 5 лет (≈).

    ======

    На мой скромный взгляд, вопрос с точки зрения физики лежит в ФОРМАХ выхода энергии на первой и второй стадиях — они отличаются принципиально.

    На первой стадии (обычная атомная бомба) — просто нет потока нейтронов такой энергии, и главное — такой плотности ( в миллионы раз больше), какая есть при запуске второй стадии.
    А дейтерий-тритий — загорается очень легко. Собственно — он сам нужен не столько для вклада в энерговыделение, сколько для «дожигания недогоревшего» своим весьма задорным выходом энергии как раз в форме «заряда бодрости» нейтронов энергией в 14 МЭВ и с фееричной плотностью.

    Иными словами, в данном вопросе — «качество важнее количества».

  6. Боевой блок МБР обычно имеет форму конуса, а чтоб он не кувыркался, его после отделения от ступени разведения закручивают вокруг оси маленьким двигателем закрутки. Винтовочная пуля ведь не кувыркается.
    =====
    Винтовочная пуля — стабилизируется вращением, за счет гироскопического эффекта.
    Так-же стабилизировалась ракета немецкого «НебельВюрфера» — там раскрутка двигательного блока производилась до старта.

    Боевой блок, как и ракета РСЗО — вращаются для компенсации эксцентриситета тяги (абляции покрытия у боевого блока, что по сути тоже дает тягу).
    Они вращением не стабилизируются.

    А будет он кувыркаться или нет, не важно — важно, что абляция будет со всех сторон равномерно происходить.
    Чуть не забыл — если Вы вдруг таки раскрутите боевой блок до состояния пушечного снаряда (т.е. реальной гироскопической стабилизации) — он промажет вследствие девирации. При принудительном отклонении оси гироскопа — товарищ Кориолис дает отклонение оси вращения под 90 градусов за счет ускорения своего имени. Траектория полета — баллистическая, по дуге. И эффект супер-стабилизации на высоких числах Маха будет этот блок очень сильно стабилизировать на этой траектории (вследствие чего тов.Кориолис будет доворачивать в сторону).

    В царской армии — вся тяжелая артиллерия стреляла мимо, кроме случая «промой наводкой». Пока один неглупый финн не осознал суть явления и не просчитал таблицы коррекции.

    • А как компенcация абляционной тяги (если этот эффект действительно существенен для осесимметричной боеголовки, хотя наверное Вы правы в этом) противоречит гироскопической стабилизации? Что касается девиации от «силы товарища Кориолиса», то это — Ваша фантазия. После выключения двигателей центр масс боеголовки движется по баллистической кривой, как материальная точка (если пренебречь аэродинамическими силами, которые появятся после входа в атмосферу). Вращение боеголовки на форму траектории никак не повлияет. Это — классическая механика. То же касается снарядов.

      Вы бы все-таки поубавили апломба и не спешили возражать по всевозможным поводам. Почему бы просто не высказаться по теме без цели непременно опровергнуть кого-нибудь из других комментаторов? За исключением тех случаев конечно, когда кто-то пишет явные глупости )) И опять же просьба к Вам — умерьте пожалуйста свой чисто политический, по большей части неактуальный пыл.

  7. А как компенcация абляционной тяги (если этот эффект действительно существенен для осесимметричной боеголовки, хотя наверное Вы правы в этом) противоречит гироскопической стабилизации?
    ======
    Опять Вы «про меня».
    Я ведь не разработчик данного девайса и данного технического решения.
    Для меня это аксиома мышления вида «объективная реальность» — оно таки уже есть и оно таки описано публично.

    Противоречий я во вращении не вижу.
    Только вот величины угловой скорости вращения, к стабилизации — совсем не приведут.

    Что касается девиации от «силы товарища Кориолиса», то это — Ваша фантазия. После выключения двигателей центр масс боеголовки движется по баллистической кривой, как материальная точка (если пренебречь аэродинамическими силами, которые появятся после входа в атмосферу). Вращение боеголовки на форму траектории никак не повлияет. Это — классическая механика. То же касается снарядов.
    ==========
    Вы забыли, что боеголовка летит по траектории, отличающейся от прямой.
    У пули достаточно настильная траектория и очень малая масса.
    У снаряда — при стрельбе прямой наводкой — нет проблем.
    Когда началась стрельба из гаубиц на большие расстояния (значительная кривизна траектории) — выснилось, что снаряд таки стабилизируется, и де-стабилизироваться для полета носом вперед не желает. Как из ствола вылетел — так его ось и застабилизировалась. А когда его аэродинамика наставляет на путь истинный — возникает страшный и ужасный товарищ Кориолис.

    Вы бы все-таки поубавили апломба и не спешили возражать по всевозможным поводам. Почему бы просто не высказаться по теме без цели непременно опровергнуть кого-нибудь из других комментаторов? За исключением тех случаев конечно, когда кто-то пишет явные глупости )) И опять же просьба к Вам — умерьте пожалуйста свой чисто политический, по большей части неактуальный пыл.
    ======
    Если кому-то не нравится сказанное мной — можно предметно возразить.
    Никто не запрещает, как и мне высказываться.