Модулированный нейтронный инициатор - Modulated neutron initiator
Модулированный нейтронов инициатором является источником нейтронов , способный производить взрыв нейтронов на активацию. Это критически важная часть некоторого ядерного оружия , поскольку его роль заключается в том, чтобы «запустить» цепную реакцию в оптимальный момент, когда конфигурация становится критической . Он также известен как внутренний нейтронный инициатор . Инициатор обычно помещается в центр плутониевой ямы и активируется ударом сходящейся ударной волны .
Одним из ключевых элементов правильной эксплуатации ядерного оружия является своевременное инициирование цепной реакции деления. Чтобы получить значительный ядерный выход, в сверхкритической активной зоне должно присутствовать достаточное количество нейтронов в нужное время. Если цепная реакция начнется слишком рано (« преддетонация »), результатом будет только « выход шипения », значительно ниже проектной спецификации, поэтому критически важно низкое спонтанное нейтронное излучение материала ямы. Если это произойдет слишком поздно, ядро начнет расширяться и разбираться в менее плотное состояние, что приведет к снижению выхода (меньшее количество материала ядра подвергается делению) или вообще отсутствию выхода (ядро больше не является критической массой). ).
Для оружия с усиленным делением критичным является размер расположенного в центре инициатора, и он должен быть как можно меньше. Использование внешнего источника нейтронов обеспечивает большую гибкость, например, регулируемый выход.
Дизайн
Обычная конструкция основана на комбинации бериллия- 9 и полония-210 , разделенных до активации, а затем помещенных в плотный контакт с помощью ударной волны. Источниками альфа также считались полоний-208 и актиний-227 . Используемый изотоп должен иметь сильное альфа-излучение и слабое гамма-излучение, поскольку гамма-фотоны также могут выбивать нейтроны и не могут быть столь эффективно экранированы, как альфа-частицы. Было разработано несколько вариантов, различающихся габаритами и механической конфигурацией системы, обеспечивающей правильное перемешивание металлов.
Еж
Urchin был кодовым названием внутреннего нейтронного инициатора, устройства, генерирующего нейтроны, которое запускало ядерную детонацию самых первых плутониевых атомных бомб, таких как The Gadget и Fat Man , после того, как критическая масса была «собрана» с помощью обычных взрывчатых веществ.
Инициатор, использовавшийся в первых устройствах, расположенный в центре плутониевой ямы бомбы , состоял из бериллиевой таблетки и бериллиевой оболочки с полонием между ними. Таблетка диаметром 0,8 см была покрыта никелем, а затем слоем золота . Бериллиевая оболочка имела внешний диаметр 2 см при толщине стенок 0,6 см. Внутренняя поверхность корпуса имела 15 концентрических клиновидных продольных канавок и была, как и внутренняя сфера, покрыта золотом и никелем. Небольшое количество полония-210 (50 кюри, 11 мг) осаждалось в канавках оболочки и на центральной сфере: слои золота и никеля служили для защиты бериллия от альфа-частиц, испускаемых полонием. Весь еж весил около 7 граммов и был прикреплен к монтажным скобам во внутренней полости диаметром 2,5 см в яме.
Когда прибывает ударная волна от взрыва плутониевой активной зоны, она разрушает инициатор. Гидродинамические силы, действующие на желобчатую оболочку, тщательно и практически мгновенно смешивают бериллий и полоний, позволяя альфа-частицам полония сталкиваться с атомами бериллия. Реагируя на бомбардировку альфа-частицами, атомы бериллия испускают нейтроны со скоростью примерно 1 нейтрон каждые 5–10 наносекунд (см. Бериллий # Ядерные свойства ). Эти нейтроны запускают цепную реакцию в сжатом сверхкритическом плутонии. Размещение слоя полония между двумя большими массами бериллия обеспечивает контакт металлов, даже если турбулентность ударной волны работает плохо.
50 кюри полония генерировали около 0,1 Вт тепла распада , заметно нагревая маленькую сферу.
Канавки на внутренней поверхности оболочки сформировали ударную волну в виде струй за счет эффекта Манро , подобного кумулятивному заряду , для быстрого и тщательного смешивания бериллия и полония. Поскольку эффект Манро менее надежен в линейной геометрии, в более поздних конструкциях использовалась сфера с коническими или пирамидальными внутренними углублениями вместо линейных канавок. В некоторых конструкциях инициаторов отсутствует центральная сфера, вместо этого она является полой. Преимущество полой конструкции, возможно, заключается в меньшем размере при сохранении надежности.
Короткий период полураспада полония (138,376 дня) требовал частой замены инициаторов и непрерывных поставок полония для их производства, так как срок их хранения составлял всего около 4 месяцев. Более поздние образцы имели срок годности до 1 года.
Правительство США использовало Postum как кодовое название полония.
Использование полония в качестве нейтронного инициатора было предложено в 1944 году Эдвардом Кондоном , хотя полоний в качестве инициатора упоминался как возможность в лекциях « Los Alamos Primer », прочитанных в апреле 1943 года. Сам инициатор был разработан Джеймсом Л. Таком , и его разработка и испытания проводились в Лос-Аламосской национальной лаборатории в инициативной группе подразделения « Гаджет » во главе с Чарльзом Кричфилдом .
Абнер
Другой инициатор (кодовое название ABNER ) был использован для урановой бомбы Little Boy . Его конструкция была проще и содержала меньше полония. Он сработал при попадании уранового снаряда в цель. Это было добавлено к конструкции запоздало и не имело существенного значения для функции оружия.
Инициатор TOM
Усовершенствованная конструкция инициатора, вероятно, основанная на конических или пирамидальных углублениях, была предложена в 1948 году, запущена в производство в Лос-Аламосе в январе 1950 года и испытана в мае 1951 года. В конструкции TOM использовалось меньше полония, так как количество нейтронов на миллиграмм. полония было выше, чем у ежа. Его внешний диаметр составлял всего 1 см. Первое боевое испытание инициатора TOM произошло 28 января 1951 года во время выстрела «Бейкер-1» в рамках операции «Рейнджер» . Серия калибровочных экспериментов для определения времени инициирования и выходных данных инициаторов TOM была проведена во время операции Snapper во время испытания Fox 25 мая 1952 года.
Цветок
В 1974 году Индия провела ядерное испытание « Улыбающийся Будда» . Инициатор под кодовым названием «Цветок» был основан на том же принципе, что и Urchin. Считается, что полоний был нанесен на платиновую сетку в форме лотоса, чтобы максимально увеличить ее поверхность, и был заключен в танталовую сферу, окруженную урановой оболочкой со встроенными гранулами бериллия. Согласно другим источникам, конструкция была еще больше похожа на Urchin, с бериллиевой оболочкой, которая создавала бериллиевые струи при взрыве. Внешний диаметр инициатора составляет 1,5 см или «около 2 см».
Другой дизайн
Дейтерид урана (UD 3 ) может быть использован для создания нейтронного умножителя.
Оружие с усиленным делением и оружие, использующее внешние генераторы нейтронов, предлагают возможность переменной мощности , позволяя выбирать мощность оружия в зависимости от тактических потребностей.
Разработка
Полоний, используемый в инициаторе ежа, был создан в Национальной лаборатории Ок-Ридж, а затем извлечен и очищен в рамках Дейтонского проекта под руководством Чарльза Аллена Томаса . Проект Дейтон был один из различных сайтов , содержащих Манхэттенский проект .
В 1949 году открылись Mound Laboratories в соседнем Майамисбурге, штат Огайо, в качестве замены Дейтонского проекта и нового центра исследований и разработок ядерных инициаторов. Полоний-210 был получен нейтронным облучением висмута . Производство и исследования полония в Кургане были прекращены в 1971 году.
Полоний из Дейтона был использован отделением G Лос-Аламоса в исследованиях конструкции инициатора на испытательном полигоне в каньоне Сандиа. Группа инициаторов построила испытательные сборки, просверлив отверстия в больших шарикоподшипниках турбины, вставив активный материал и заткнув отверстия болтами. Эти тестовые сборки были известны как болванки . Испытательные сборки были взорваны, а их останки изучены, чтобы проверить, насколько хорошо смешались полоний и бериллий.
Производство бериллиево-полониевых инициаторов TOM закончилось в 1953 году. Инициаторы были заменены на другую конструкцию, которая немного снизила мощность оружия, но их более длительный срок хранения снизил сложность логистики. Запечатано нейтронный инициатор , приведен в инвентарь в конце 1954 года, по- прежнему требуется периодическая разборка для доступа к его капсуле для проверки технического обслуживания. Капсулы были полностью сняты с производства в 1962 году.
Позднее инициаторы типа Urchin были заменены другими средствами генерации нейтронов, такими как импульсные излучатели нейтронов , в которых не используется полоний. Используя тритий с периодом полураспада 12,3 года вместо полония, они имеют гораздо больший интервал замены. Они устанавливаются вне ямы и электрически контролируются, поскольку нейтроны легко проходят через значительную массу без взаимодействия. Эти инициаторы были более управляемыми и позволяли значительно повысить надежность оружия.