Оружие деления пушечного типа
Оружие деления пушечного типа — это деления на основе ядерное оружие которого , конструкция объединяет расщепляющийся материал в сверхкритическую массу с использованием «пушечного» метода: выстреливания одного куска докритического материала в другой. Хотя иногда это изображают как два докритических полушария, соединенных вместе, образуя сверхкритическую сферу, обычно полый снаряд выстреливается в шип, который заполняет отверстие в его центре. Его название является отсылкой к тому факту, что он стреляет материалом через артиллерийский ствол, как если бы это был снаряд.
Поскольку это относительно медленный метод сборки, плутоний нельзя использовать, кроме как в чистом виде. 239 Изотоп Pu . Производство беспримесного плутония очень сложно и непрактично. Требуемое количество урана относительно велико, поэтому общий КПД относительно низок. Основная причина этого заключается в том, что металлический уран не подвергается сжатию (и, как следствие, увеличению плотности ), как это происходит в конструкции имплозии. Вместо этого бомбы пушечного типа собирают сверхкритическую массу, накапливая такое большое количество урана, что общее расстояние, через которое должны пройти дочерние нейтроны, имеет такое большое количество средних свободных пробегов , что становится весьма вероятным, что большинство нейтронов найдут ядра урана, с которыми они могут столкнуться, прежде чем улететь. сверхкритическая масса.
Впервые оружие деления пушечного типа обсуждалось в рамках программы разработки ядерной бомбы British Tube Alloys , первой в мире программы разработки ядерной бомбы. [1] Британский отчет MAUD [2] В 1941 году было указано, что «эффективная урановая бомба, содержащая около 25 фунтов активного материала, будет эквивалентна по разрушительному эффекту 1800 тоннам тротила». [3] Бомба будет иметь конструкцию пушечного типа, «чтобы соединить две половинки вместе на высокой скорости, и предлагается сделать это, выстрелив их вместе зарядами обычного взрывчатого вещества в виде двойной пушки». [4]
Метод применялся в четырех известных программах США. Во-первых, оружие « Маленький мальчик », взорванное над Хиросимой , и несколько дополнительных единиц той же конструкции, подготовленных после Второй мировой войны, состояли из 40 бомб «Марк 8» и их замены — 40 бомб «Марк 11» . И конструкции Mark 8, и Mark 11 предназначались для использования в качестве проникающих в землю бомб (см. ядерный разрушитель бункеров ), для чего метод пушечного типа какое-то время отдавался предпочтением конструкторами, которые не были более чем уверены в том, что раннее оружие имплозивного типа будет успешно взорваться после удара. Вторая программа представляла собой семейство 11-дюймовых (280-мм) ядерных артиллерийских снарядов W9 и его производной W19 , а также переупакованного W19 в 16-дюймовый (406-мм) снаряд для линкоров ВМС США W23 . Третье семейство представляло собой 8-дюймовый (203-мм) артиллерийский снаряд W33 .
Южная Африка также разработала шесть ядерных бомб, основанных на принципе пушечного типа, и работала над боеголовками ракет, используя ту же базовую конструкцию – См. Южную Африку и оружие массового уничтожения .
В настоящее время на вооружении нет известного оружия пушечного типа: передовые государства, обладающие ядерным оружием, имели тенденцию отказываться от конструкции в пользу оружия имплозивного типа , оружия форсированного деления и термоядерного оружия . Новые ядерные государства, как правило, разрабатывают только усиленное ядерное оружие и термоядерное оружие. Все известное ядерное оружие пушечного типа, ранее созданное в мире, демонтировано.
Маленький мальчик [ править ]
«Пушечный» метод примерно аналогичен тому, как работало оружие «Маленький мальчик», взорванное над Хиросимой , с использованием урана-235 в качестве расщепляющегося материала. В конструкции Little Boy «пуля» U-235 имела массу около 86 фунтов (39 кг), длину 7 дюймов (17,8 см) и диаметр 6,25 дюйма (15,9 см). Полая цилиндрическая форма делала его подкритическим. Он питался от кордитового заряда. Пик урановой мишени составлял около 57,3 фунта (26 кг). И пуля, и мишень состояли из множества колец, сложенных вместе.
Использование «колец» имело два преимущества: оно позволяло пуле большего размера уверенно оставаться в подкритическом состоянии (полая колонна предохраняла материал от слишком сильного контакта с другим материалом), а также позволяло испытывать подкритические сборки с использованием та же пуля, но с одним кольцом.
Ствол имел внутренний диаметр 6,5 дюймов (16,5 см). Ее длина составляла 70,8 дюйма (1,8 м), что позволяло пуле разгоняться до конечной скорости около 1000 футов в секунду (300 м/с). [5] до контакта с целью.
Когда пуля находится на расстоянии 9,8 дюйма (25 см), комбинация становится критической. Это означает, что некоторые свободные нейтроны могут вызвать цепную реакцию до того, как материал сможет полностью соединиться (см. Цепная ядерная реакция ).
Обычно цепная реакция занимает менее 1 мкс (100 встряхиваний ), за это время пуля проходит всего 0,3 мм ( 1 ⁄ 85 дюйма). Хотя цепная реакция протекает медленнее при низкой сверхкритичности, она все равно происходит за настолько короткое время, что пуля за это время почти не движется.
Это может вызвать шипение , преддетонацию , которая разнесет материал на части, прежде чем вызвать большую часть взрыва. Таким образом, важно, чтобы частота возникновения свободных нейтронов оставалась низкой по сравнению со временем сборки с этого момента. Это также означает, что скорость снаряда должна быть достаточно высокой; ее скорость можно увеличить, но для этого нужен более длинный и тяжелый ствол, либо большее давление пороховых газов для большего ускорения пули докритической массы.
В случае с «Маленьким мальчиком» 20% 238 U в уране имел 70 спонтанных делений в секунду. Когда делящийся материал находился в сверхкритическом состоянии, каждый из них давал большую вероятность детонации: каждое деление создает в среднем 2,52 нейтрона, каждый из которых имеет вероятность создания другого деления более 1:2,52. В течение 1,35 мс сверхкритичности до полной сборки вероятность деления составляла 10% с несколько меньшей вероятностью преддетонации.
Первоначально усилия Манхэттенского проекта были направлены на создание огнестрельного оружия, в котором использовался плутоний в качестве источника делящегося материала , известного как « Тонкий человек » из-за его чрезвычайной длины. Считалось, что если бы можно было создать плутониевую бомбу пушечного типа, то по сравнению с ней было бы очень легко изготовить урановую бомбу пушечного типа. Однако в апреле 1944 года было обнаружено, что полученный в реакторе плутоний ( Pu-239 ) загрязнен другим изотопом плутония, Pu-240 , который увеличивает скорость спонтанного высвобождения нейтронов из материала, делая неизбежным преддетонацию. По этой причине считается, что бомбу пушечного типа можно использовать только с обогащенным урановым топливом. Однако неизвестно, возможно ли создать композитную конструкцию, используя в пуле только высококачественный плутоний.
После того как выяснилось, что программа «Тонкий человек» не увенчается успехом, Лос-Аламос перенаправил свои усилия на создание плутониевого оружия имплозивного типа: « Толстяк ». Орудийная программа полностью перешла на разработку урановой бомбы.
Хотя в Little Boy 132 фунта (60 кг) 80%-го класса 235 Использовался U (следовательно, 106 фунтов или 48 кг), минимум составляет примерно от 44 до 55 фунтов (от 20 до 25 кг) против 33 фунтов (15 кг) для метода имплозии.
Целевая докритическая масса Little Boy была заключена в отражатель нейтронов из карбида вольфрама (WC). Наличие отражателя нейтронов уменьшило потери нейтронов во время цепной реакции и, следовательно, уменьшило количество необходимого уранового топлива. Более эффективным материалом отражателя мог бы быть металлический бериллий, но об этом не было известно до тех пор, пока в послевоенные годы Тед Тейлор не разработал имплозивную конструкцию, известную как «Скорпион».
Ученые, разработавшие оружие «Маленький мальчик», были настолько уверены в его успехе, что не проводили полевых испытаний конструкции перед ее использованием на войне (хотя такие ученые, как Луис Слотин, действительно проводили неразрушающие испытания с подкритическими сборками, опасными эксперименты под названием « щекотка хвоста дракона »). В любом случае его нельзя было протестировать перед развертыванием, поскольку U-235 было достаточно только для одного устройства. Несмотря на то, что конструкция никогда не подвергалась проверочным испытаниям, считалось, что в случае неисправности устройство не будет захвачено противником. Даже «шипение» могло бы полностью разрушить устройство, в то время как многочисленные дублирования, встроенные в конструкцию «Маленького мальчика», означали, что вероятность того, что устройство упадет на землю, вообще не взорвавшись, будет незначительной, если таковая вообще имеется.
Для быстрого запуска цепной реакции в нужный момент используется нейтронный триггер/инициатор. Инициатор не является строго необходимым для эффективной конструкции пистолета. [6] [5] до тех пор, пока в конструкции используется «захват цели» (по сути, гарантирующий, что две докритические массы, будучи запущены вместе, не смогут разойтись, пока не взорвутся). Учитывая 70 спонтанных делений в секунду, это вызывает лишь задержку в несколько раз по 1/70 секунды, что в данном случае не имеет значения. Инициаторы были добавлены в Little Boy только на позднем этапе его разработки.
и Распространение терроризм
Что касается риска распространения и использования террористами , то относительно простая конструкция вызывает беспокойство, поскольку она не требует такого тщательного проектирования или производства, как другие методы. Имея достаточное количество высокообогащенного урана, страны или группы с относительно низким уровнем технологического развития могли бы создать неэффективное, хотя и довольно мощное, ядерное оружие пушечного типа.
Сравнение с методом имплозии [ править ]
Для технологически развитых государств огнестрельный метод в настоящее время по существу устарел по соображениям эффективности и безопасности (обсуждалось выше). От метода артиллерийского типа Соединенные Штаты в значительной степени отказались, как только была усовершенствована техника имплозии, хотя он сохранялся в специализированной роли ядерной артиллерии какое-то время . Другие ядерные державы, такие как Великобритания и Советский Союз , никогда не создавали ни одного образца такого типа оружия. Помимо необходимости использования высокообогащенного U-235, этот метод имеет и другие серьезные ограничения. Техника имплозии гораздо лучше подходит для различных методов, используемых для уменьшения массы оружия и увеличения доли делящегося материала. В условиях апартеида в Южной Африке было построено пять видов оружия огнестрельного типа и не было оружия имплозивного типа. Позже они вообще отказались от своей программы создания ядерного оружия . Они были уникальны тем, что отказались от ядерного оружия и, вероятно, также создали оружие артиллерийского типа, а не имплозионного типа.
Существуют также проблемы с безопасностью огнестрельного оружия. Например, по своей сути опасно иметь оружие, содержащее такое количество и форму делящегося материала, которая может образовать критическую массу в результате относительно простой аварии. Кроме того, если оружие сбрасывается с самолета в море, то сдерживающее воздействие морской воды также может вызвать аварию с возникновением критичности, при этом оружие даже не будет физически повреждено. Ни того, ни другого не может произойти с оружием имплозивного типа, поскольку обычно делящегося материала недостаточно для образования критической массы без правильного подрыва взрывных линз.
Ядерная артиллерия США [ править ]
Пушечный метод также применялся для ядерных артиллерийских снарядов, поскольку более простую конструкцию легче спроектировать так, чтобы она выдерживала быстрое ускорение и перегрузки, создаваемые артиллерийским орудием, и поскольку меньший диаметр конструкции артиллерийского типа может быть относительно легко монтируется на снаряды, которыми можно стрелять из существующей артиллерии.
Американское ядерное артиллерийское оружие пушечного типа W9 было испытано 25 мая 1953 года на полигоне в Неваде . Выпущенный в рамках операции Upshot-Knothole под кодовым названием Shot GRABLE , 280-мм снаряд был выпущен на расстояние 10 000 м и взорвался на высоте 160 м над землей с расчетной мощностью 15 килотонн . Это примерно такой же выход , как у Little Boy , хотя у W9 он был меньше 1/10 ) . веса Маленького Мальчика (365 кг против 4000 кг или 805 фунтов против 8819 фунтов Длина снаряда составляла 1384 мм (54,5 дюйма).
Это был единственный ядерный артиллерийский снаряд, когда-либо выпущенный (из артиллерийского орудия) в рамках программы испытаний США. Он был выпущен из специально построенного артиллерийского орудия, получившего прозвище «Атомная Энни» . С 1952 по 1953 год было произведено 80 снарядов. В 1957 году он был снят с вооружения.
W19 также представлял собой 280-мм ядерный снаряд пушечного типа, более длинную версию W-9. Было произведено восемьдесят боеголовок, и в 1963 году система была снята с вооружения.
W33 под представлял собой меньший по размеру 8-дюймовый (203-мм) ядерный артиллерийский снаряд артиллерийского типа, который производился с 1957 года и находился на вооружении до 1992 года. Два из них были подвергнуты испытательным выстрелам (взорвались, а не были выпущены из артиллерийского орудия), один висел воздушный шар на открытом воздухе и один в туннеле. [7]
Более поздние версии были основаны на имплозивной конструкции.
Список огнестрельного оружия США [ править ]
Бомбы [ править ]
- Марк 1 «Маленький мальчик» , 1945–1951 гг.
- Марк 2 «Тонкий человек» , отменен в 1944 году.
- Марк 8 ( разрушитель бункеров ), 1952–1957 гг.
- Марк 10 , отменен в 1952 г.
- Марк 11 (разрушитель бункеров), 1956–1960 гг.
Артиллерия [ править ]
Другие [ править ]
- Атомный подрывной боеприпас Т-4 , 1957–1963 гг.
- W8 для крылатой ракеты SSM-N-8 Regulus , отменена в 1955 г.
Ссылки [ править ]
- ^ Мур, Ричард (3 декабря 2021 г.). «Очерк развития британского проекта по производству трубчатых сплавов» Рудольфа Пайерлса: отчет о самых ранних британских работах по атомной энергии за 1945 год» . Ядерные технологии . 207 (дополнение 1): S374–S379. Бибкод : 2021NucTe.207S.374M . дои : 10.1080/00295450.2021.1910004 . ISSN 0029-5450 . S2CID 244134054 .
- ^ «Манхэттенский проект: Отчет Мод, 1941» . www.osti.gov . Проверено 20 июля 2023 г.
- ^ «Отчет MAUD, 1941 год | Исторические документы» . www.atomicarchive.com . Проверено 20 июля 2023 г.
- ^ «Отчет MAUD, 1941 год | Исторические документы» . www.atomicarchive.com . Проверено 20 июля 2023 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Элементы конструкции ядерного оружия» , Часто задаваемые вопросы по ядерному оружию
- ^ «Первое ядерное оружие: маленький мальчик» . 15 марта 2015 г. Архивировано из оригинала 15 марта 2015 года . Проверено 30 декабря 2015 г.
- ^ Операция «Нуга» на веб-сайте Nuclearweaponarchive.org, Кэри Сублетт (2005).
Внешние ссылки [ править ]
- Симулятор «Малыш» интерактивный симулятор конструкции атомной бомбы пушечного типа «Малыш».