Оружие усиленного деления - Boosted fission weapon

Увеличил деление оружия , как правило , относится к типу атомной бомбы , который использует небольшое количество слитого топлива , чтобы увеличить скорость, и , таким образом , выход, из деления реакции. Эти нейтроны , выпущенные в реакциях слияния добавить к нейтронам , выпущенным в результате деления, что позволяет более реакции деления нейтронно-индуцированный иметь место. Скорость деления, таким образом , значительно увеличивается таким образом, что гораздо больше делящегося материала способен пройти деление до того , как основной взрывообразно демонтирует. Сам процесс термоядерного синтеза добавляет к процессу лишь небольшое количество энергии, возможно, 1%.

Альтернативное значение - устаревший тип одноступенчатой ​​ядерной бомбы, которая использует термоядерный синтез в больших масштабах для создания быстрых нейтронов, которые могут вызывать деление обедненного урана , но не является двухступенчатой водородной бомбой . Этот тип бомбы Эдвард Теллер назвал «Будильником», а Андрей Сахаров - «Слойкой» или «Слоеным пирогом» (Теллер и Сахаров, насколько известно, разработали эту идею независимо).

Разработка

Идея наддува была первоначально разработана между концом 1947 и концом 1949 года в Лос-Аламосе . Основным преимуществом форсирования является дальнейшая миниатюризация ядерного оружия, поскольку оно уменьшает минимальное время инерционного удержания, необходимое для сверхкритического ядерного взрыва, за счет обеспечения внезапного притока быстрых нейтронов до того, как критическая масса разорвется на части. Это устранит необходимость в алюминиевом толкателе и урановом тампере, а также во взрывчатых веществах, необходимых для перевода их и делящегося материала в сверхкритическое состояние. В то время как громоздкий Толстяк имел диаметр 5 футов (1,5 м) и требовал 3 тонны взрывчатки для взрыва, на небольшой ядерной боеголовке (такой как W88 ) можно было установить усиленную первичную обмотку деления, чтобы зажечь термоядерную вторичную обмотку.

Газовое усиление современного ядерного оружия

В бомбе деления делящееся топливо быстро «собирается» за счет равномерного сферического взрыва, создаваемого обычными взрывчатыми веществами , создавая сверхкритическую массу . В этом состоянии многие нейтроны, высвобождаемые при делении ядра, будут вызывать деление других ядер в топливной массе, также высвобождая дополнительные нейтроны, что приводит к цепной реакции . Эта реакция потребляет не более 20% топлива до того, как бомба разорвется на части, или, возможно, гораздо меньше, если условия не идеальны: бомбы Little Boy (механизм пистолетного типа) и Fat Man (механизм имплозивного типа) имели эффективность 1,38% и 13% соответственно.

Усиление термоядерного синтеза достигается за счет введения газообразного трития и дейтерия . Твердый дейтерид лития- тритид также использовался в некоторых случаях, но газ обеспечивает большую гибкость (и может храниться снаружи) и может быть введен в полую полость в центре сферы топлива деления или в зазор между внешними слой и «левитирующее» внутреннее ядро, когда-то до взрыва. К тому времени, когда примерно 1% топлива для деления расщепляется, температура повышается достаточно высоко, чтобы вызвать термоядерный синтез , который производит относительно большое количество нейтронов, ускоряя поздние стадии цепной реакции и примерно вдвое повышая ее эффективность.

Нейтроны дейтерий-тритиевого синтеза чрезвычайно энергичны, в семь раз более энергичны, чем средний нейтрон деления, что увеличивает вероятность их захвата делящимся материалом и его деления. Это связано с несколькими причинами:

  1. Когда эти энергичные нейтроны ударяются о делящееся ядро, при делении выделяется гораздо большее количество вторичных нейтронов (например, 4,6 против 2,9 для Pu-239).
  2. Сечение деления больше как в абсолютном выражении, так и пропорционально сечениям рассеяния и захвата .

Принимая во внимание эти факторы, максимальное значение альфа для нейтронов ядерного синтеза в плутонии (плотность 19,8 г / см3) примерно в 8 раз выше, чем для среднего нейтрона деления (2,5 × 10 9 против 3 × 10 8 ).

Ощущение потенциального вклада усиления термоядерного синтеза можно получить, наблюдая, что полное слияние одного моля трития (3 грамма) и одного моля дейтерия (2 грамма) дает один моль нейтронов (1 грамм), что, если пренебречь избежание потерь и рассеяния на данный момент могло бы непосредственно расщепить один моль (239 граммов) плутония, образуя 4,6 моля вторичных нейтронов, которые, в свою очередь, могут расщепить еще 4,6 моля плутония (1099 г). Деление этих 1338 г плутония в первых двух поколениях высвободило бы 23 килотонны тротилового эквивалента (97 ТДж ) энергии и само по себе привело бы к эффективности 29,7% для бомбы, содержащей 4,5 кг плутония (типичное малое деление курок). Энергия, выделяемая при синтезе 5 г термоядерного топлива, составляет всего 1,73% энергии, выделяемой при делении 1338 г плутония. Возможны более высокие общие выходы и более высокая эффективность, поскольку цепная реакция может продолжаться после второго поколения после усиления слияния.

Делящиеся бомбы, усиленные термоядерным синтезом, также можно сделать невосприимчивыми к нейтронному излучению близлежащих ядерных взрывов, которое может вызвать предветонирование других конструкций, разлетевшись на части без достижения высокой мощности. Сочетание уменьшенного веса по сравнению с мощностью и невосприимчивостью к радиации обеспечило усиление термоядерного синтеза большинству современных ядерных боеприпасов.

Скорость реакции термоядерного синтеза обычно составляет от 20 до 30 мегакельвинов . Эта температура достигается при очень низкой эффективности, когда расщепляется менее 1% делящегося материала (что соответствует выходу в диапазоне сотен тонн тротила). Поскольку может быть разработано имплозивное оружие, которое будет обеспечивать выход в этом диапазоне, даже если нейтроны присутствуют в момент критичности, усиление термоядерного синтеза позволяет производить эффективное оружие, невосприимчивое к преддетонации . Устранение этой опасности - очень важное преимущество при использовании бустинга. Похоже, что каждое оружие в арсенале США - это улучшенная конструкция.

По словам одного конструктора оружия, форсирование в основном привело к значительному 100-кратному увеличению эффективности оружия деления с 1945 года.

Некоторые ранние неэтапные проекты термоядерного оружия

Ранние конструкции термоядерного оружия, такие как « Джо-4» , советский «слоеный пирог» («Слойка», русский язык : Слойка ), использовали большое количество термоядерного синтеза, чтобы вызвать деление атомов урана-238 , составляющих обедненный уран . Это оружие имело делящийся сердечник, окруженный слоем дейтерида лития-6 , в свою очередь окруженный слоем обедненного урана. Некоторые конструкции (включая слоеный пирог) имели несколько чередующихся слоев этих материалов. Советский слоеный пирог был похож на дизайн американского будильника , который так и не был построен, и дизайн британского зеленого бамбука , который был построен, но никогда не тестировался.

Когда бомба этого типа взрывается, при делении ядра из высокообогащенного урана или плутония образуются нейтроны , некоторые из которых вылетают и ударяются по атомам лития-6 , образуя тритий . При температуре, создаваемой делением в активной зоне, тритий и дейтерий могут подвергаться термоядерному синтезу без высокого уровня сжатия. В результате синтеза трития и дейтерия образуется нейтрон с энергией 14 МэВ - энергия намного выше, чем 1 МэВ нейтрона, начавшего реакцию. Создание нейтронов высокой энергии, а не выработка энергии, является основной целью термоядерного синтеза в этом виде оружия. Затем этот нейтрон с энергией 14 МэВ ударяется об атом урана-238, вызывая деление: без этой стадии синтеза исходный нейтрон с энергией 1 МэВ, попавший в атом урана-238, вероятно, был бы просто поглощен. Это деление затем высвобождает энергию, а также нейтроны, которые затем создают больше трития из оставшегося лития-6 и так далее в непрерывном цикле. Энергия деления урана-238 полезна в оружии: как потому, что обедненный уран намного дешевле, чем высокообогащенный уран, так и потому, что он не может стать критическим и, следовательно, с меньшей вероятностью попадет в катастрофическую аварию.

Этот вид термоядерного оружия может производить до 20% своей мощности за счет синтеза, а остальное - за счет деления, и его мощность ограничена эквивалентом менее одной мегатонны в тротиловом эквиваленте (4 ПДж ). Джо-4 произвел 400 килотонн в тротиловом эквиваленте (1,7 ПДж). Для сравнения, «настоящая» водородная бомба может производить до 97% своей мощности от термоядерного синтеза , а ее взрывная мощность ограничена только размером устройства.

Техническое обслуживание ядерного оружия с газовым наддувом

Тритий - радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12,355 лет. Его основным продуктом распада является гелий-3 , который входит в число нуклидов с самым большим сечением захвата нейтронов. Поэтому периодически из оружия необходимо вымывать гелиевые отходы и пополнять запасы трития. Это связано с тем, что любой гелий-3 в запасе трития в оружии будет действовать как яд во время детонации оружия, поглощая нейтроны, предназначенные для столкновения с ядрами его топлива деления.

Производство трития относительно дорого, потому что каждый произведенный тритон - ядро ​​трития ( тритон (физика) ) - требует производства по крайней мере одного свободного нейтрона, который используется для бомбардировки исходного материала (лития-6, дейтерия или гелия-3). Фактически, из-за потерь и неэффективности количество необходимых свободных нейтронов приближается к двум для каждого произведенного тритона (а тритий начинает распадаться немедленно, поэтому возникают потери при сборе, хранении и транспортировке от производственного объекта к оружию в полевых условиях. .) Производство свободных нейтронов требует работы либо реактора-размножителя, либо ускорителя частиц (с мишенью расщепления), предназначенного для установки по производству трития.

Смотрите также

использованная литература