Тампер (ядерное оружие)

Чтобы узнать о других значениях, см. Тампер (значения) .

Тампер делящийся представляет собой дополнительный слой плотного материала, окружающий материал . Он используется в конструкции ядерного оружия для уменьшения критической массы и ядерного оружия задержки расширения реагирующего материала за счет его инерции . Благодаря своей инерции он задерживает тепловое расширение делящейся топливной массы, дольше сохраняя ее в сверхкритическом состоянии . Часто один и тот же слой служит и тампером, и отражателем нейтронов . Оружие распадается по мере развития реакции, и это останавливает реакцию, поэтому использование тампера обеспечивает более продолжительный, более энергичный и более эффективный взрыв. Выход можно дополнительно повысить, используя делящийся тампер.

В первом ядерном оружии использовались тяжелые тамперы из природного урана или карбида вольфрама , но тяжелый тампер требует более крупной фугасной имплозивной системы и делает все устройство больше и тяжелее. Вместо этого в первичной ступени современного термоядерного оружия может использоваться легкий бериллиевый отражатель, который также прозрачен для рентгеновских лучей при ионизации , что позволяет быстро выделять энергию первичной ступени и использовать ее для сжатия вторичной ступени. Более экзотические материалы, такие как золото, используются для особых целей, таких как излучение большого количества рентгеновских лучей или изменение количества радиоактивных осадков .

Хотя эффект тампера заключается в повышении эффективности как за счет отражения нейтронов , так и за счет задержки расширения бомбы, влияние на критическую массу не так велико. Причина этого в том, что процесс размышления требует много времени. К тому времени, когда отраженные нейтроны вернутся в ядро, пройдет несколько поколений цепной реакции , а это означает, что вклад старшего поколения составляет лишь небольшую часть популяции нейтронов.

Функция

В книге «Атомная энергия для военных целей » (1945) физик Генри ДеВольф Смит описал функцию тампера в конструкции ядерного оружия как аналогичную функции отражателя нейтронов, используемого в ядерном реакторе :

Подобную оболочку можно использовать для уменьшения критического размера бомбы, но здесь у оболочки есть дополнительная роль: сама ее инерция задерживает расширение реагирующего материала. По этой причине такой конверт часто называют тампером. Использование тампера явно обеспечивает более продолжительный, более энергичный и эффективный взрыв.

История

Идея окружения ядра ядерного оружия тампером была представлена ​​Робертом Сербером в его «Лос-Аламосском учебнике» , серии лекций, прочитанных в апреле 1943 года в рамках Манхэттенского проекта , в рамках которого было создано первое ядерное оружие . Он отметил, что, поскольку инерция является ключевым моментом, наиболее плотные материалы являются предпочтительными, и назвал золото , рений , вольфрам и уран лучшими кандидатами. Он считал, что они также обладают хорошими свойствами отражения нейтронов , хотя и предостерег, что в этой области необходимо проделать еще очень много работы. Используя элементарную теорию диффузии , он предсказал, что критическая масса ядерного оружия с тампером составит одну восьмую от критической массы идентичного, но нетронутого оружия. Он добавил, что на практике это будет лишь около четверти вместо восьмой.

Сербер отметил, что свойство отражения нейтронов не так хорошо, как может показаться на первый взгляд, поскольку нейтронам, возвращающимся в результате столкновений в тампере, потребуется время, чтобы это сделать. По его оценкам, для тампера урана потребуется около 10 ⁻⁷ секунды. К тому времени, когда отраженные нейтроны вернутся в ядро, пройдет несколько поколений цепной реакции , а это означает, что вклад старшего поколения составляет лишь небольшую часть популяции нейтронов. Возвращение нейтронов также будет замедлено из-за столкновения. Отсюда следует, что для получения такого же энерговыделения с золотым тампером по сравнению с урановым требовалось на 15% больше делящегося материала, несмотря на то, что критические массы различались на 50%. В то время критические массы урана (и, в частности, плутония ) не были точно известны. Считалось, что уран с урановым тампером может составлять около 25 кг, а плутоний — около 5 кг.

Урановая бомба «Маленький мальчик» , использованная при атомной бомбардировке Хиросимы, имела тампер из карбида вольфрама (WC). Это было важно не только для отражения нейтронов, но и для предотвращения пролета снаряда через цель. Тампер имел радиус 17,5 см (6,9 дюйма) и толщину 11,3 см (4,4 дюйма) при массе 317 кг (699 фунтов). Это примерно в 3,5 раза превышало массу использованного делящегося материала. Карбид вольфрама имеет высокую плотность и низкое поперечное сечение поглощения нейтронов. Причина, по которой обедненный уран, несмотря на то, что он был доступен в большом количестве для Манхэттенского проекта, не был использован, заключается в том, что он по-прежнему имеет относительно высокую скорость спонтанного деления , около 675 на кг в секунду. Таким образом, тампер из обедненного урана массой 300 кг будет иметь неприемлемую вероятность инициировать преддетонацию . карбид вольфрама обычно использовался в с ураном-233, используемом в артиллерийских орудиях. ядерном оружии пушечного типа По той же причине

В боеголовке W88 в первичной обмотке используется легкий бериллиевый тампер, а во вторичной — тяжелый тампер из урана-235 .

Использование делящегося тампера для увеличения выхода имеет свои преимущества. Уран-238 будет делиться при ударе нейтрона с энергией 1,6 мегаэлектронвольт (0,26 пДж ), и около половины нейтронов, образующихся при делении урана-235, превысят этот порог. Однако вероятность неупругого рассеяния быстрого нейтрона, ударяющего о ядро ​​урана-238, в восемь раз выше, чем вызывающего деление, и когда это происходит, он замедляется до точки ниже порога деления урана-238. В типе «Толстяк» , использовавшемся в испытаниях «Тринити» и в Нагасаки, тампер состоял из снарядов диаметром 7,0 см (2,75 дюйма) из природного урана и алюминия. Подсчитано, что до 30% выхода приходится на деление тампера природного урана. Из них, по оценкам, 14,5 тонн тротила (61 ГДж) из 21 килотонны тротила (88 ТДж) было получено в результате фотоделения тампера .

В форсированном оружии деления или термоядерном оружии нейтроны с энергией 14,1 мегаэлектронвольт (2,26 пДж), образующиеся в результате реакции дейтерия и трития, могут оставаться достаточно энергичными, чтобы расщепить уран-238 даже после трех столкновений с дейтерием, но нейтроны с энергией 2,45 мегаэлектронвольта (0,393 пДж) ) те, которые производятся в результате синтеза дейтерия, уже не имеют достаточной энергии даже после одного столкновения. Тампер из урана-235 будет делиться даже медленными нейтронами. Таким образом, тампер из высокообогащенного урана более эффективен, чем тампер из обедненного урана, а тампер меньшего размера может быть использован для достижения того же выхода. Таким образом, использование тамперов обогащенного урана стало более распространенным, когда обогащенного урана стало больше. Торий также можно использовать в качестве делящегося тампера. Его атомный вес почти такой же, как у урана, и меньшая склонность к делению, а это означает, что тампер должен быть намного толще.

Важным достижением после Второй мировой войны стал легкий бериллиевый тампер. В усиленном устройстве термоядерные реакции значительно увеличивают производство нейтронов, что делает инерционные свойства тамперов менее важными. Бериллий имеет низкое сечение поглощения медленных нейтронов, но очень высокое сечение рассеяния. При попадании нейтронов высокой энергии, образующихся в результате реакций деления, бериллий испускает нейтроны. При использовании бериллиевого отражателя диаметром 10 см (4 дюйма) критическая масса высокообогащенного урана составляет 14,1 кг по сравнению с 52,5 кг в нетронутой сфере. Бериллиевый тампер также сводит к минимуму потери рентгеновских лучей, что важно для термоядерной первичной обмотки, которая использует рентгеновские лучи для сжатия вторичной ступени.

Бериллиевый тампер рассматривался в рамках Манхэттенского проекта, но бериллия не хватало, и эксперименты с бериллиевым тампером начались только после войны. Физик Луи Слотин погиб в мае 1946 года в результате аварии, связанной с критичностью одного из них. Устройство с тампером из бериллия было успешно испытано в ходе операции Tumbler-Snapper How, снятой 5 июня 1952 года, и с тех пор бериллий широко использовался в качестве тампера в первичных термоядерных устройствах.

В термоядерных устройствах тампер (или «толкатель») вторичной обмотки не только отражает нейтроны, удерживает термоядерное топливо с его инерционной массой и повышает выходную мощность за счет деления нейтронов, испускаемых в результате термоядерных реакций, но и помогает управлять радиационная имплозия и предотвращение потери тепловой энергии. По этой причине тяжелый тампер по-прежнему предпочтителен.

Альтернативные материалы

Торий также можно использовать в качестве делящегося тампера. Его атомный вес почти такой же, как у урана, и меньшая склонность к делению, а это означает, что тампер должен быть намного толще. Также возможно, что государство, стремящееся создать потенциал ядерного оружия, может добавить плутоний реакторного качества к фальсификатору природного урана. Это могло бы вызвать проблемы с эмиссией нейтронов из плутония, но эту проблему можно было бы решить с помощью слоя бора-10 . который имеет высокое нейтронное сечение поглощения медленных нейтронов, расщепляющих уран-235 и плутоний-239 , но низкое сечение поглощения быстрых нейтронов, расщепляющих уран-238. Он использовался в термоядерном оружии для защиты плутониевой свечи зажигания от паразитных нейтронов, испускаемых тампером из урана-238. В типах «Толстяк» тампер из природного урана был покрыт бором .

В качестве тамперов также можно использовать неделящиеся материалы. Иногда их заменяли делящимися при ядерных испытаниях , когда высокая мощность была ненужной. Наиболее часто используемым неделящимся тамперным материалом является свинец , который широко доступен и дешев. В британских конструкциях часто использовался сплав свинца и висмута . Висмут имеет самый высокий атомный номер среди всех неделящихся тамперных материалов. Использование свинца и висмута снижает радиоактивные выпадения, поскольку ни один из них не производит изотопы, которые испускают значительные количества гамма-излучения при облучении нейтронами.

Боеголовка W71 , используемая в LIM-49 Spartan, противоракете имела золотую защиту вокруг вторичной обмотки, чтобы максимизировать мощность рентгеновского излучения, которое она использовала для вывода из строя приближающихся ядерных боеголовок. Облучение золота-197 приводит к образованию золота-198, период полураспада которого составляет 2,697 дней, и которое испускает гамма-лучи с энергией 0,412 мегаэлектронвольт (0,0660 пДж) и бета-частицы с энергией 0,96 мегаэлектронвольт (0,154 пДж) . Поэтому он производит кратковременное, но интенсивное излучение, которое может быть использовано на поле боя, хотя в W71 это не было его целью. Еще одним элементом, оцененным США для этой цели, был тантал . Природный тантал почти полностью состоит из тантала-181, который при облучении нейтронами превращается в тантал-182, излучатель бета- и гамма-излучения с периодом полураспада 115 дней.

Хорошо известной концепцией использования альтернативного материала является кобальтовая бомба . Кобальт — плохая перспектива для взлома, поскольку он относительно легкий и ионизируется при энергии 9,9 килоэлектронвольт (1,59 фДж), но природный кобальт полностью представляет собой кобальт-59, который становится кобальтом-60 при облучении нейтронами . При периоде полураспада 5,26 года это может привести к долговременному радиоактивному загрязнению. В ходе британских ядерных испытаний Тадже в Маралинга в качестве «индикатора» для определения мощности использовались кобальтовые гранулы. Это породило слухи о том, что Великобритания разрабатывает кобальтовую бомбу.

Физика

Уравнение диффузии для количества нейтронов в ядре бомбы имеет вид:

${\frac {\partial N}{\partial t}}={\frac {v_{n}}{\lambda _{f}^{core}}}(\nu -1)N+{\frac {\lambda _{t}^{core}v_{n}}{3}}(\nabla ^{2}N)$

где $N$ - плотность нейтронов, $v_{n}$ — средняя скорость нейтрона, $\nu$ - количество вторичных нейтронов, образующихся при делении, $\lambda _{f}^{core}$ деления средняя длина свободного пробега и $\lambda _{t}^{core}$ – средняя длина свободного пробега нейтронов в активной зоне.

$N$ не зависит от направления, поэтому мы можем использовать такую ​​форму оператора Лапласа в сферических координатах:

$\nabla ^{2}N={\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial }{\partial r}}{\bigl (}r^{2}{\frac {\partial N}{\partial r}}{\bigr )}$

Решение сепарабельного уравнения в частных производных дает нам:

$N_{core}(r,t)=N_{0}e^{(\alpha /\tau )t}{\Bigl [}{\frac {sin(r/d_{core})}{r}}{\Bigr ]}$

где

$\tau =\lambda _{f}^{core}/v_{n}$

и

$d_{core}={\sqrt {\frac {\lambda _{f}^{core}\lambda _{t}^{core}}{3(-\alpha +\nu -1)}}}$

Что касается тампера, то первый член первого уравнения, относящегося к образованию нейтронов, можно пренебречь, оставив:

${\frac {\partial N}{\partial t}}={\frac {\lambda _{t}^{core}v_{n}}{3}}(\nabla ^{2}N)$

Установите константу разделения как $\delta /\tau$. Если $\delta =0$ (это означает, что плотность нейтронов в тампере постоянна) решение принимает вид:

$N_{tamper}={\frac {A}{r}}+B$

Где $A$ и $B$ являются константами интегрирования .

Если $\delta >0$ (это означает, что плотность нейтронов в тампере растет) решение принимает вид:

$N_{tamper}=e^{(\delta /\tau )t}{\Bigl [}A{\frac {e^{r/d_{tamper}}}{r}}+B{\frac {e^{-r/d_{tamper}}}{r}}{\Bigr ]}$

где

$d_{tamper}={\sqrt {\frac {\lambda _{f}^{core}\lambda _{t}^{core}}{3}}}$

Сербер отметил, что на границе между ядром и тампером диффузионный поток нейтронов должен быть непрерывным, поэтому, если ядро ​​имеет радиус $R_{core}$ затем:

$N_{core}(R_{core})=N_{tamper}(R_{core})$

Если скорости нейтронов в активной зоне и тампере одинаковы, то $\alpha =\delta$ и:

$\lambda _{t}^{core}{{\Bigl (}{\frac {\partial N_{core}}{\partial r}}{\Bigr )}}_{R_{core}}=\lambda _{t}^{tamper}{\Bigl (}{\frac {\partial N_{tamper}}{\partial r}}{\Bigr )}_{R_{core}}$

В противном случае каждую сторону пришлось бы умножить на соответствующую скорость нейтрона. Также:

$N_{tamper}(R_{tamper})=-{\frac {2}{3}}\lambda _{t}^{tamper}{\Bigl (}{\frac {\partial N_{tamper}}{\partial r}}{\Bigr )}_{R_{core}}$

Для случая, когда $\alpha =\delta =0$:

${\Bigl [}1+{\frac {2R_{tamper}^{threshold}\lambda _{t}^{tamper}}{3R_{tamper}^{2}}}-{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{R_{tamper}}}{\Bigr ]}{\Bigl [}{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}-1{\Bigr ]}+{\frac {\lambda _{t}^{tamper}}{\lambda _{t}^{core}}}=0$

Если тампер действительно толстый, т.е. $R_{tamper}\gg R_{tamper}^{threshold}$ это можно аппроксимировать как:

${\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=1-{\frac {\lambda _{t}^{tamper}}{\lambda _{t}^{core}}}$

Если тампером (нереально) является вакуум, то сечение рассеяния нейтронов будет равно нулю и $\lambda _{t}^{tamper}=\infty$. Уравнение становится:

${\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=-\infty$

что удовлетворяется:

${\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=\pi$

Если тампер очень толстый и имеет свойства рассеяния нейтронов, аналогичные сердечнику, т.е.:

$\lambda _{t}^{tamper}\sim \lambda _{t}^{core}$

Тогда уравнение принимает вид:

${\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=0$

которое выполняется, когда:

${\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}=\pi /2$

В этом случае критический радиус в два раза больше, чем он был бы, если бы тампера не было. Поскольку объем пропорционален кубу радиуса, мы приходим к выводу Сербера о том, что теоретически возможно восьмикратное уменьшение критической массы.

Ссылки

• Арнольд, Лорна ; Смит, Марк (2006). Великобритания, Австралия и бомба: ядерные испытания и их последствия . Бейзингсток: Пэлгрейв Макмиллан. ISBN  978-1-4039-2102-4 . OCLC   70673342 .
• Хансен, Чак (1988). Ядерное оружие США: Тайная история . Арлингтон, Техас: Аэрофакс. ISBN  0-517-56740-7 . OCLC   749870939 .
• Хансен, Чак (1995a). Том I: Разработка ядерного оружия США . Мечи Армагеддона: Разработка ядерного оружия в США с 1945 года. Саннивейл, Калифорния: Публикации Chukelea. ISBN  978-0-9791915-1-0 . OCLC   231585284 .
• Хансен, Чак (1995c). Том III: Разработка ядерного оружия США . Мечи Армагеддона: Разработка ядерного оружия в США с 1945 года. Саннивейл, Калифорния: Публикации Chukelea. ISBN  978-0-9791915-3-4 . OCLC   231585284 .
• Хансен, Чак (1995e). Том V: История ядерного оружия США . Мечи Армагеддона: Разработка ядерного оружия в США с 1945 года. Саннивейл, Калифорния: Публикации Chukelea. ISBN  978-0-9791915-5-8 . OCLC   231585284 .
• Ходдесон, Лилиан ; Хенриксен, Пол В.; Мид, Роджер А.; Вестфолл, Кэтрин Л. (1993). Критическая ассамблея: техническая история Лос-Аламоса в годы Оппенгеймера, 1943–1945 . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-44132-2 . OCLC   26764320 .
• Хан, Ф.А. (2020). «Оценка мощности фотоделения в тесте Тринити» . Научные отчеты . 10 (1): 4200. Бибкод : 2020НатСР..10.4200К . дои : 10.1038/s41598-020-61201-0 . ISSN   2045-2322 . ПМК   7060208 . ПМИД   32144384 .
• Рид, Б. Кэмерон (август 2009 г.). «Краткий справочник по тампонированным ядрам атомных бомб». Американский журнал физики . 77 (8): 730–733. Бибкод : 2009AmJPh..77..730R . дои : 10.1119/1.3125008 . ISSN   0002-9505 .
• Рид, Б. Кэмерон (2011). Физика Манхэттенского проекта (второе изд.). Хедельберг Дордрехт Лондон Нью-Йорк: Springer. ISBN  978-3-642-14708-1 . OCLC   1195449878 .
• Рид, Б. Кэмерон (сентябрь 2017 г.). «Возвращение к учебнику Лос-Аламоса» . Физика сегодня . 70 (9): 42–49. Бибкод : 2017ФТ....70и..42Р . дои : 10.1063/PT.3.3692 . ISSN   0031-9228 .
• Роудс, Ричард (1995). Тёмное солнце: создание водородной бомбы . Нью-Йорк: Саймон и Шустер. ISBN  0-684-80400-Х . OCLC   32509950 .
• Сербер, Роберт (1943). Лос-Аламос Праймер . Беркли: Калифорнийский университет.
• Семков, Томас М.; Парех, Правин П.; Хейнс, Дуглас К. (28 августа – 1 сентября 2005 г.). «Моделирование эффектов теста Тринити». В Семкове, Томас М. (ред.). Прикладное моделирование и вычисления в ядерной науке . 230-е национальное собрание Американского химического общества (ACS). Серия симпозиумов ACS. Том. 945. Вашингтон, округ Колумбия, стр. 142–159. ISBN  978-0-8412-3982-1 . OCLC   984760244 .
• Смит, Генри ДеВольф (1945). Атомная энергия для военных целей: Официальный отчет о разработке атомной бомбы под эгидой правительства США, 1940–1945 гг . Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN  978-0-8047-1722-9 .