Модулированный нейтронный инициатор
Инициатор модулированных нейтронов представляет собой источник нейтронов, способный производить всплеск нейтронов при активации. Это важнейшая часть некоторых видов ядерного оружия , поскольку его роль состоит в том, чтобы «запустить» цепную реакцию в оптимальный момент, когда конфигурация становится критической . Он также известен как внутренний нейтронный инициатор . Инициатор обычно размещается в центре 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 в нужное время должно присутствовать достаточное количество нейтронов. Если цепная реакция начнется слишком рано (« преддетонация »), результатом будет только « шипения выход », значительно ниже проектной спецификации. Если это произойдет слишком поздно, ядро начнет расширяться и разбираться в менее плотное состояние, что приведет к снижению выхода (меньшая часть материала активной зоны подвергается делению) или вообще к отсутствию выхода (ядро больше не является критической массой). ). Поэтому решающее значение имеет низкая спонтанная эмиссия нейтронов из материала карьера.
Для форсированного оружия деления размер центрально расположенного инициатора имеет решающее значение и должен быть как можно меньшим. Использование внешнего источника нейтронов обеспечивает большую гибкость, например, переменный выход.
Дизайн
[ редактировать ]Обычная конструкция основана на комбинации бериллия -9 и полония-210 , разделенных до активации, а затем находящихся в тесном контакте ударной волной. Полоний-208 и актиний-227 также рассматривались как источники альфа-излучения. Используемый изотоп должен иметь сильное альфа-излучение и слабое гамма-излучение, поскольку гамма-фотоны также могут выбивать нейтроны и не могут быть так эффективно экранированы, как альфа-частицы. [1] Было разработано несколько вариантов, отличающихся размерами и механической схемой системы, обеспечивающей правильное смешивание металлов.
еж
[ редактировать ]Urchin — кодовое название внутреннего нейтронного инициатора, используемого Лос-Аламосской лабораторией в качестве устройства, генерирующего нейтроны , для запуска ядерного взрыва самых первых плутониевых атомных бомб, таких как «Гаджет» и «Толстяк» , после того, как критическая масса была «собрана» сила обычной взрывчатки.
бомбы Инициатор, использовавшийся в первых устройствах и расположенный в центре плутониевой ямы , состоял из бериллиевой таблетки и бериллиевой оболочки с полонием между ними. Таблетку диаметром 0,8 см покрывали никелем , а затем слоем золота . Бериллиевая оболочка имела внешний диаметр 2 см и толщину стенок 0,6 см. Внутренняя поверхность этой раковины имела 15 концентрических клиновидных широтных канавок и была, как и внутренняя сфера, покрыта золотом и никелем. [2] [3] Небольшое количество полония-210 (50 кюри, 11 мг) осаждалось в канавках оболочки и на центральной сфере: слои золота и никеля служили защитой бериллия от альфа-частиц , испускаемых полонием. Весь еж весил около 7 граммов и крепился к монтажным кронштейнам во внутренней полости диаметром 2,5 см в яме. [4]
Когда приходит ударная волна от взрыва плутониевого ядра, она сокрушает инициатор. Гидродинамические силы, действующие на рифленую оболочку, тщательно и практически мгновенно перемешивают 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 ). 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 произвели около 0,1 Вт остаточного тепла , заметно нагрев небольшую сферу. [5]
Канавки на внутренней поверхности оболочки формировали ударную волну в струи за счет эффекта Манро , аналогично кумулятивному заряду , для быстрого и тщательного перемешивания бериллия и полония. Поскольку эффект Манро менее надежен в линейной геометрии, в более поздних конструкциях вместо линейных канавок использовалась сфера с коническими или пирамидальными внутренними углублениями. В некоторых конструкциях инициаторов центральная сфера отсутствует, а вместо этого она является полой. Преимущество полой конструкции, возможно, заключается в меньшем размере при сохранении надежности.
Короткий период полураспада полония (138,376 дней) требовал частой замены инициаторов и постоянного снабжения полония для их производства, так как срок их хранения составлял всего около 4 месяцев. [6] Более поздние образцы имели срок годности до 1 года.
Правительство США использовало Постум в качестве кодового названия полония. [7]
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 , [8] а его разработка и испытания проводились в Лос-Аламосской национальной лаборатории в « Гаджеты группе инициаторов подразделения » под руководством Чарльза Кричфилда . [9]
Эбнер
[ редактировать ]другой инициатор (под кодовым названием ABNER использовался Для урановой бомбы Little Boy ) . Его конструкция была проще и содержала меньше полония. Он активировался при попадании уранового снаряда в цель. Он был добавлен в конструкцию в последнюю очередь и не имел существенного значения для функционирования оружия. [10]
инициатор ТОМ
[ редактировать ]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 ТОМ использовалось меньше полония, так как количество нейтронов на миллиграмм полония было выше, чем у Урчина. Его внешний диаметр составлял всего 1 см. Первое боевое испытание инициатора ТОМ произошло 28 января 1951 года во время выстрела Бейкер-1 в ходе операции «Рейнджер» . [11] Серия экспериментов по калибровке времени инициации в зависимости от данных о выходе инициаторов TOM была проведена во время операции Snapper во время испытания Фокса 25 мая 1952 года.
Цветок
[ редактировать ]В 1974 году Индия провела «Улыбающийся Будда» ядерное испытание . Инициатор под кодовым названием «Цветок» был основан на том же принципе, что и Еж. Считается, что полоний был нанесен на лотоса в форме платиновую сетку , чтобы максимально увеличить ее поверхность, и заключен в танталовую сферу, окруженную урановой оболочкой со встроенными гранулами бериллия. Согласно другим источникам, конструкция была еще больше похожа на «Ерчин»: бериллиевая оболочка имела форму, создающую бериллиевые струи при взрыве. Сообщается, что внешний диаметр инициатора составляет 1,5 см или «около 2 см». [12]
Другие конструкции
[ редактировать ]Дейтерид урана (УД 3 ) может быть использован для создания умножителя нейтронов. [13] [14]
Оружие форсированного деления и оружие, использующее внешние генераторы нейтронов, предлагают возможность переменной мощности , что позволяет выбирать мощность оружия в зависимости от тактических потребностей.
Разработка
[ редактировать ]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 . Дейтонский проект был одним из объектов Манхэттенского проекта .
В 1949 году лаборатория Mound Laboratories в соседнем Майамисбурге, штат Огайо, открылась вместо Дейтонского проекта и стала новым центром исследований и разработок ядерных инициаторов. Полоний-210 был получен нейтронным облучением висмута . Производство и исследования полония в Кургане были прекращены в 1971 году. [15]
Полоний из Дейтона использовался подразделением G Лос-Аламоса в исследованиях по проектированию инициатора на испытательном полигоне в каньоне Сандия. Группа инициаторов построила испытательные сборки, просверлив отверстия в больших шарикоподшипниках турбин, вставив активный материал и заткнув отверстия болтами. Эти тестовые сборки были известны как чудаки . Испытательные сборки были взорваны, а их останки изучены, чтобы проверить, насколько хорошо смешались полоний и бериллий. [16]
Производство бериллий-полониевых инициаторов ТОМ закончилось в 1953 году. Инициаторы были заменены на другую конструкцию, что немного снизило мощность оружия, но более длительный срок хранения упростил логистику. [17] Герметичный нейтронный инициатор , принятый на вооружение в конце 1954 года, все еще требовал периодической разборки для доступа к капсуле для технического обслуживания. Капсулы были полностью сняты с производства в 1962 году. [18]
Инициаторы типа Urchin позже были заменены другими способами генерации нейтронов, такими как импульсные нейтронные излучатели , в которых не используется полоний. Используя тритий с периодом полураспада 12,3 года вместо полония, они имеют гораздо больший интервал замены. Они устанавливаются снаружи ямы и управляются электрически, поскольку нейтроны легко проходят сквозь значительную массу без взаимодействия. Эти инициаторы были более управляемыми и позволяли значительно повысить надежность оружия.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Часто задаваемые вопросы по ядерному оружию, раздел 4.1, версия 2.04: 20 февраля 1999 г.
- ^ Дизайн Гаджета, Толстяка и «Джо 1» (RDS-1) . Архивировано 10 февраля 2010 г. в Wayback Machine . Cartage.org.lb. Проверено 8 февраля 2010 г.
- ^ Об истоках советского атомного проекта . Nuclearweaponarchive.org (15 апреля 1998 г.). Проверено 8 февраля 2010 г.
- ^ Часто задаваемые вопросы по ядерному оружию, раздел 8.0, версия 2.18: 3 июля 2007 г.
- ^ 4.1 Элементы конструкции оружия деления . Nuclearweaponarchive.org (19 мая 1953 г.). Проверено 8 февраля 2010 г.
- ^ Абрахамсон|Пионеры Сандии . Unc.edu. Проверено 8 февраля 2010 г.
- ↑ Введение полония людям , Федерация американских ученых, 12 декабря 2006 г., Стивен Афтергуд.
- ^ Ференц Мортон Сас (1992). Британские ученые и Манхэттенский проект: годы Лос-Аламоса . Пэлгрейв Макмиллан. стр. 24–. ISBN 978-0-312-06167-8 . Проверено 22 апреля 2011 г.
- ^ «Манхэттенский проект и организации-предшественники» . Массив современных американских физиков . Американский институт физики. Архивировано из оригинала 17 октября 2012 г. Проверено 11 марта 2013 г.
- ^ Кэри Сублетт, Раздел 8.0 Первое ядерное оружие , Архив ядерного оружия: Путеводитель по ядерному оружию (3 июля 2007 г.).
- ^ Кэри Саблетт. (6 августа 2001 г.). Галерея ядерных испытаний США
- ^ Программа Индии по созданию ядерного оружия – Улыбающийся Будда: 1974 . Nuclearweaponarchive.org. Проверено 8 февраля 2010 г.
- ^ [1] Архивировано 4 июня 2011 г., в Wayback Machine.
- ^ Инициаторы дейтерида урана . ArmsControlWonk (14 декабря 2009 г.). Проверено 8 февраля 2010 г.
- ^ Полоний . Globalsecurity.org (27 апреля 2005 г.). Проверено 8 февраля 2010 г.
- ^ Создание атомной бомбы, Ричард Роудс, 1986, Саймон и Шустер, ISBN 0-684-81378-5 стр. 580
- ↑ Записка секретаря. Тема: часть III – Отчет о ходе разработки вооружений Объединенному комитету, июнь – ноябрь 1953 г. . Проверено 8 февраля 2010 г.
- ^ Ядерное оружие США . Globalsecurity.org. Проверено 8 февраля 2010 г.