Конструкция ядерного оружия

Первые ядерные взрывные устройства послужили основой для создания будущего оружия. На фото устройство «Гаджет» , готовящееся к ядерному испытанию «Тринити» .

Проекты ядерного оружия — это физические, химические и инженерные механизмы, которые приводят к тому, что физический пакет взорваться ядерного оружия . Существует три основных типа конструкции:

• Оружие чистого деления является самым простым и наименее технически требовательным, оно было первым ядерным оружием, созданным и до сих пор единственным типом, когда-либо использовавшимся в войне, Соединенными Штатами против Японии во Второй мировой войне.
• Усиленное оружие деления увеличивает мощность, превышающую мощность имплозии, за счет использования небольших количеств термоядерного топлива для усиления цепной реакции деления. Усиление может более чем удвоить выход энергии деления оружия.
• Поэтапное термоядерное оружие представляет собой конструкцию из двух или более «ступеней», чаще всего двух. Первая ступень обычно представляет собой усиленное оружие деления, как указано выше (за исключением самого раннего термоядерного оружия, в котором вместо этого использовалось оружие чистого деления). Его детонация заставляет его интенсивно светиться рентгеновским излучением , которое освещает и взрывает вторую ступень, наполненную большим количеством термоядерного топлива. Это запускает последовательность событий, которая приводит к термоядерному или термоядерному ожогу. Этот процесс дает потенциальную мощность, в сотни раз превышающую мощность ядерного оружия.

Оружие чистого деления было первым типом оружия, созданным новыми ядерными державами. Крупные индустриальные государства с хорошо развитыми ядерными арсеналами имеют двухступенчатое термоядерное оружие, которое является наиболее компактным, масштабируемым и экономически эффективным вариантом при наличии необходимой технической базы и промышленной инфраструктуры.

Большинство известных инноваций в области разработки ядерного оружия возникли в Соединенных Штатах, хотя некоторые из них позже были независимо разработаны другими государствами.

В первых новостях оружие чистого деления называлось атомными бомбами или атомными бомбами , а оружие, использующее термоядерный синтез, называлось водородными бомбами или водородными бомбами . Однако специалисты по ядерной политике отдают предпочтение терминам «ядерный» и «термоядерный», соответственно.

Ядерные реакции

Ядерное деление отделяет или расщепляет более тяжелые атомы с образованием более легких атомов. Ядерный синтез объединяет более легкие атомы в более тяжелые. Обе реакции генерируют примерно в миллион раз больше энергии, чем аналогичные химические реакции, что делает ядерные бомбы в миллион раз более мощными, чем неядерные бомбы, о чем заявил французский патент в мае 1939 года.

В некотором смысле деление и синтез являются противоположными и дополняющими друг друга реакциями, но особенности каждой из них уникальны. Чтобы понять, как устроено ядерное оружие, полезно знать важные сходства и различия между делением и синтезом. В следующем объяснении используются округленные числа и приближения.

Деление

Основная статья: Деление ядра

Когда свободный нейтрон попадает в ядро ​​делящегося атома, такого как уран-235 ( ²³⁵ U), ядро ​​урана распадается на два меньших ядра, называемых осколками деления, а также еще больше нейтронов (для ²³⁵ Вы трое примерно так же часто, как двое; в среднем чуть менее 2,5 на деление). Цепная реакция деления в сверхкритической массе топлива может быть самоподдерживающейся, поскольку она производит достаточно избыточных нейтронов, чтобы компенсировать потери нейтронов, покидающих сверхкритическую сборку. Большинство из них обладают скоростью (кинетической энергией), необходимой для того, чтобы вызвать новое деление соседних ядер урана.

Ядро урана-235 может расщепляться разными способами при условии, что сумма зарядовых чисел составит 92, а сумма массовых чисел — 236 (уран-235 плюс нейтрон, вызвавший расщепление). Следующее уравнение показывает одно возможное разделение, а именно на стронций-95 ( ⁹⁵ Ср), ксенон-139 ( ¹³⁹ Xe) и два нейтрона (n) плюс энергия:

$\ {}^{235}\mathrm {U} +\mathrm {n} \longrightarrow {}^{95}\mathrm {Sr} +{}^{139}\mathrm {Xe} +2\ \mathrm {n} +180\ \mathrm {MeV}$

Непосредственное выделение энергии на атом составляет около 180 миллионов электронвольт (МэВ); т.е. 74 ТДж/кг. Лишь 7% из них составляет гамма-излучение и кинетическая энергия нейтронов деления. Остальные 93% — это кинетическая энергия (или энергия движения) заряженных осколков деления, разлетающихся друг от друга взаимно отталкивающихся положительным зарядом своих протонов (38 для стронция, 54 для ксенона). Эта начальная кинетическая энергия составляет 67 ТДж/кг, что обеспечивает начальную скорость около 12 000 километров в секунду. Высокий электрический заряд заряженных фрагментов вызывает множество неупругих кулоновских столкновений бомбы с близлежащими ядрами, и эти фрагменты остаются в ловушке внутри расщепляющейся ямы и воздействуют до тех пор, пока их движение не преобразуется в тепло. Учитывая скорость осколков и среднюю длину свободного пробега между ядрами в сжатой топливной сборке (для имплозивной конструкции), это занимает около миллионной доли секунды (микросекунды), к этому времени активная зона и тампер бомбы расширяются. в плазму диаметром несколько метров и температурой в десятки миллионов градусов Цельсия.

Это достаточно горячо, чтобы испускать излучение черного тела в рентгеновском спектре. Эти рентгеновские лучи поглощаются окружающим воздухом, создавая огненный шар и взрыв ядерного взрыва.

Большинство продуктов деления содержат слишком много нейтронов, чтобы быть стабильными, поэтому они радиоактивны в результате бета-распада , превращая нейтроны в протоны путем выброса бета-частиц (электронов) и гамма-лучей. Их период полураспада колеблется от миллисекунд до примерно 200 000 лет. Многие из них распадаются на изотопы, которые сами по себе радиоактивны, поэтому для достижения стабильности может потребоваться от 1 до 6 (в среднем 3) распадов. В реакторах радиоактивные продукты представляют собой ядерные отходы в отработавшем топливе. В бомбах они становятся радиоактивными осадками, как локальными, так и глобальными.

Между тем внутри взорвавшейся бомбы свободные нейтроны, выделяющиеся при делении, уносят около 3% начальной энергии деления. Кинетическая энергия нейтронов увеличивает энергию взрыва бомбы, но не так эффективно, как энергия заряженных осколков, поскольку нейтроны не так быстро отдают свою кинетическую энергию при столкновениях с заряженными ядрами или электронами. Преобладающий вклад нейтронов деления в мощность бомбы заключается в инициировании последующих делений. Более половины нейтронов покидают ядро ​​бомбы, а остальные попадают в цель. ²³⁵ Ядра U заставляют их делиться в экспоненциально растущей цепной реакции (1, 2, 4, 8, 16 и т. д.). Начиная с одного атома, число делений теоретически может удвоиться в сто раз за микросекунду, что могло бы поглотить весь уран или плутоний до сотен тонн по сотому звену цепи. Обычно в современном оружии яма оружия содержит от 3,5 до 4,5 кг (от 7,7 до 9,9 фунтов) плутония, а при взрыве выделяется примерно от 5 до 10 килотонн в тротиловом эквиваленте (от 21 до 42 ТДж), что представляет собой деление примерно 0,5 кг (1,1 фунт) плутония.

Материалы, способные поддерживать цепную реакцию, называются делящимися . В ядерном оружии используются два расщепляющихся материала: ²³⁵ U, также известный как высокообогащенный уран (ВОУ), «ораллой», что означает «сплав Ок-Ридж», или «25» (комбинация последней цифры атомного номера урана-235, равной 92, и последней цифры его массового числа, равной 235); и ²³⁹ Пу, также известный как плутоний-239, или «49» (от «94» и «239»).

Самый распространённый изотоп урана. ²³⁸ U расщепляется, но не делится, а это означает, что он не может поддерживать цепную реакцию, потому что его дочерние нейтроны деления (в среднем) недостаточно энергичны, чтобы вызвать последующую реакцию. ²³⁸ У деления. Однако нейтроны, выделяющиеся при синтезе тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития, будут делиться. ²³⁸ У. Это ²³⁸ Реакция деления U во внешней оболочке вторичной сборки двухступенчатой ​​термоядерной бомбы производит наибольшую часть энерговыделения бомбы, а также большую часть ее радиоактивных обломков.

Для национальных держав, участвующих в гонке ядерных вооружений, этот факт ²³⁸ Способность U к быстрому делению в результате бомбардировки термоядерными нейтронами имеет центральное значение. Обилие и дешевизна как объемного сухого термоядерного топлива (дейтерида лития), так и ²³⁸ U (побочный продукт обогащения урана) позволяет экономично производить очень большие ядерные арсеналы по сравнению с оружием чистого деления, требующим дорогостоящих ²³⁵ У или ²³⁹ Пу-топливо.

Слияние

Основная статья: Ядерный синтез

При термоядерном синтезе образуются нейтроны, которые рассеивают энергию реакции. В оружии самая важная реакция синтеза называется реакцией DT. Используя тепло и давление деления, водорода-2 или дейтерия ( ² D), сливается с водородом-3 или тритием ( ³ Т), с образованием гелия-4 ( ⁴ He) плюс один нейтрон (n) и энергия:

${}^{2}\mathrm {D} +{}^{3}\mathrm {T} \longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +n+17.6\ \mathrm {MeV}$

Общий выход энергии, 17,6 МэВ, составляет одну десятую от энергии деления, но масса ингредиентов составляет лишь одну пятидесятую от массы, поэтому выход энергии на единицу массы примерно в пять раз больше. В этой реакции синтеза 14 из 17,6 МэВ (80% энергии, выделяющейся в реакции) проявляются как кинетическая энергия нейтрона, который, не имея электрического заряда и будучи почти такой же массивной, как ядра водорода, создавшие его, может покинуть место происшествия, не оставив позади свою энергию, чтобы поддержать реакцию или генерировать рентгеновские лучи для взрыва и огня.

Единственный практический способ уловить большую часть энергии термоядерного синтеза — это заманить нейтроны в массивную бутылку из тяжелого материала, такого как свинец, уран или плутоний. Если нейтрон с энергией 14 МэВ захватывается ураном (любого изотопа; энергии 14 МэВ достаточно, чтобы разделить оба ²³⁵ У и ²³⁸ U) или плутония, в результате происходит деление и выделение 180 МэВ энергии деления, что увеличивает выход энергии в десять раз.

Для использования оружия деление необходимо для начала термоядерного синтеза, помогает поддерживать термоядерный синтез, а также захватывает и умножает энергию, переносимую термоядерными нейтронами. В случае нейтронной бомбы (см. ниже) последний упомянутый фактор не применяется, поскольку цель состоит в том, чтобы облегчить выход нейтронов, а не использовать их для увеличения чистой мощности оружия.

Производство трития

Важнейшая ядерная реакция — это реакция, в результате которой образуется тритий или водород-3. Тритий используется двумя способами. Во-первых, производится чистый газообразный тритий для размещения внутри активных зон форсированных устройств деления с целью увеличения их энергетического выхода. Это особенно справедливо для основных элементов термоядерного оружия. Второй путь является косвенным и использует тот факт, что нейтроны, испускаемые «свечой зажигания» сверхкритического деления во вторичной сборке двухступенчатой ​​термоядерной бомбы, будут производить тритий на месте , когда эти нейтроны сталкиваются с ядрами лития в Запас топлива из дейтерида лития для бомбы.

Элементарный газообразный тритий для первичных процессов деления также получается бомбардировкой лития-6 ( ⁶ Li) с нейтронами (n), только в ядерном реакторе. Эта нейтронная бомбардировка приведет к расщеплению ядра лития-6 с образованием альфа-частицы или гелия -4 ( ⁴ Он), плюс тритон ( ³ Т) и энергия:

${}^{6}\mathrm {Li} +n\longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +{}^{3}\mathrm {T} +5\ \mathrm {MeV}$

Нейтроны поставляются ядерным реактором аналогично производству плутония. ²³⁹ Пу из ²³⁸ U-сырье: мишенные стержни ⁶ Литий-сырье размещается вокруг ядра, питаемого ураном, и удаляется для переработки, как только будет подсчитано, что большая часть ядер лития превратилась в тритий.

Из четырех основных типов ядерного оружия первый, чистое деление, использует первую из трех вышеперечисленных ядерных реакций. Второе деление, усиленное термоядерным синтезом, использует первые два. Третий, двухступенчатый термоядерный, использует все три.

Оружие чистого деления

«Тринити- Гаджет» была первым взорванным ядерным устройством чистого деления с расчетной мощностью 25 килотонн.

Первой задачей конструкции ядерного оружия является быстрое создание сверхкритической массы делящегося (оружейного) урана или плутония. Сверхкритическая масса — это масса, в которой процент нейтронов, образовавшихся в результате деления, захваченных другими соседними делящимися ядрами, достаточно велик, чтобы каждое событие деления в среднем вызывало более одного последующего события деления. Нейтроны, высвобождаемые в результате первых событий деления, вызывают последующие события деления с экспоненциально возрастающей скоростью. Каждое последующее деление продолжает последовательность этих реакций, которая проходит через сверхкритическую массу топливных ядер. Этот процесс задуман и описывается в просторечии как цепная ядерная реакция .

Чтобы начать цепную реакцию в сверхкритической сборке, необходимо инжектировать хотя бы один свободный нейтрон и столкнуться с делящимся топливным ядром. Нейтрон соединяется с ядром (технически происходит термоядерный синтез) и дестабилизирует ядро, которое взрывается на два ядерных фрагмента среднего веса (в результате разрыва сильного ядерного взаимодействия, удерживающего взаимно отталкивающиеся протоны вместе), а также два или три свободных нейтрона. Они уносятся прочь и сталкиваются с соседними топливными ядрами. Этот процесс повторяется снова и снова, пока топливная сборка не станет подкритической (из-за теплового расширения), после чего цепная реакция прекращается, поскольку дочерние нейтроны больше не могут находить новые топливные ядра, с которыми можно удариться, прежде чем покинуть менее плотную топливную массу. Каждое последующее событие деления в цепочке примерно удваивает количество нейтронов (чистое, после потерь из-за того, что некоторые нейтроны покидают массу топлива, а другие сталкиваются с любыми присутствующими ядрами нетопливных примесей).

В методе сборки пушки (см. Ниже) формирования сверхкритической массы можно полагаться на то, что само топливо инициирует цепную реакцию. Это связано с тем, что даже самый лучший оружейный уран содержит значительное количество ²³⁸ Ядра U. Они подвержены событиям спонтанного деления , которые происходят случайным образом (это квантовомеханическое явление). Поскольку делящийся материал в критической массе, собранной в пушку, не сжимается, конструкция должна только гарантировать, что две подкритические массы остаются достаточно близко друг к другу достаточно долго, чтобы ²³⁸ Спонтанное деление U произойдет, пока оружие находится вблизи цели. Это нетрудно организовать, поскольку для этого требуется всего одна-две секунды в массе топлива типичного размера. (Тем не менее, многие такие бомбы, предназначенные для доставки по воздуху (гравитационные бомбы, артиллерийские снаряды или ракеты), используют инжектированные нейтроны, чтобы получить более точный контроль над точной высотой взрыва, что важно для разрушительной эффективности воздушных взрывов.)

Это состояние самопроизвольного деления подчеркивает необходимость очень быстрого набора сверхкритической массы топлива. оружия Время, необходимое для этого, называется критическим временем попадания . Если бы спонтанное деление произошло, когда сверхкритическая масса была собрана лишь частично, цепная реакция началась бы преждевременно. Потери нейтронов через пустоту между двумя подкритическими массами (сборка пушки) или пустоты между не полностью сжатыми топливными ядрами (сборка имплозии) лишат бомбу количества актов деления, необходимых для достижения полной проектной мощности. Кроме того, тепло, возникающее в результате происходящего деления, будет препятствовать продолжающейся сборке сверхкритической массы из-за теплового расширения топлива. Этот отказ называется преддетонацией . Получившийся в результате взрыв инженеры по бомбам и пользователи оружия назвали бы «шипением». Высокая скорость самопроизвольного деления плутония делает урановое топливо необходимым для бомб пушечной сборки, поскольку для них требуется гораздо большее время установки и гораздо большая масса топлива (из-за отсутствия сжатия топлива).

Есть еще один источник свободных нейтронов, который может испортить взрыв деления. Все ядра урана и плутония имеют режим распада, который приводит к образованию энергичных альфа-частиц . Если масса топлива содержит примесные элементы с низким атомным номером (Z), эти заряженные альфа могут проникнуть через кулоновский барьер этих примесных ядер и вступить в реакцию, в результате которой образуется свободный нейтрон. Скорость альфа-излучения делящихся ядер в один-два миллиона раз превышает скорость спонтанного деления, поэтому инженеры-оружейники стараются использовать топливо высокой чистоты.

Оружие деления, используемое вблизи других ядерных взрывов, должно быть защищено от проникновения свободных нейтронов извне. Однако такой защитный материал почти всегда будет пробит, если внешний поток нейтронов достаточно интенсивен. Когда оружие дает осечку или выходит из строя из-за воздействия других ядерных взрывов, это называется ядерным братоубийством .

В конструкции имплозионной сборки, как только критическая масса собрана до максимальной плотности, необходимо подать всплеск нейтронов, чтобы запустить цепную реакцию. Раннее оружие использовало генератор модулированных нейтронов под кодовым названием « Еж » внутри ямы, содержащей полоний -210 и бериллий, разделенных тонким барьером. Взрыв ямы разрушает генератор нейтронов, смешивая два металла, тем самым позволяя альфа-частицам полония взаимодействовать с бериллием с образованием свободных нейтронов. В современном оружии генератор нейтронов представляет собой высоковольтную вакуумную трубку, содержащую ускоритель частиц , который бомбардирует мишень из дейтерия / трития-металлогидрид ионами дейтерия и трития . В результате мелкомасштабного синтеза нейтроны производятся в защищенном месте за пределами физического пакета, откуда они проникают в яму. Этот метод позволяет лучше рассчитать время первых событий деления в цепной реакции, которая оптимально должна происходить в точке максимального сжатия/сверхкритичности. Время инжекции нейтронов является более важным параметром, чем количество инжектированных нейтронов: первые поколения цепной реакции гораздо более эффективны из-за экспоненциальной функции, по которой развивается размножение нейтронов.

Критическая масса несжатой сферы из голого металла составляет 50 кг (110 фунтов) для урана-235 и 16 кг (35 фунтов) для дельта-фазного плутония-239. В практических приложениях количество материала, необходимое для критичности, зависит от формы, чистоты, плотности и близости к материалу, отражающему нейтроны , - все это влияет на выход или захват нейтронов.

Чтобы избежать преждевременной цепной реакции при обращении с ним, делящийся материал в оружии должен храниться в подкритическом состоянии. Он может состоять из одного или нескольких компонентов, каждый из которых содержит менее одной несжатой критической массы. Тонкая полая оболочка может иметь массу, превышающую критическую массу голой сферы, как и цилиндр, который может быть сколь угодно длинным, но никогда не достигать критичности. Другим методом снижения риска критичности является использование материала с большим поперечным сечением захвата нейтронов, например бора (в частности, бора). ¹⁰ B, содержащий 20% природного бора). Естественно, этот поглотитель нейтронов необходимо удалить до того, как оружие будет взорвано. Для бомбы в сборе с пушкой это легко: масса снаряда просто силой своего движения выталкивает поглотитель из пустоты между двумя докритическими массами.

Использование плутония влияет на конструкцию оружия из-за высокого уровня альфа-излучения. Это приводит к тому, что металлический Pu самопроизвольно выделяет значительное количество тепла; масса 5 кг производит 9,68 Вт тепловой мощности. Такой предмет будет теплым на ощупь, и это не проблема, если это тепло быстро рассеивается и не позволяется повышать температуру. Но это проблема внутри ядерной бомбы. По этой причине в бомбах, использующих топливо Pu, используются алюминиевые детали для отвода избыточного тепла, и это усложняет конструкцию бомбы, поскольку Al не играет активной роли в процессах взрыва.

Тампер — это дополнительный слой плотного материала, окружающий делящийся материал. 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.

Пистолетная сборка

Схема оружия деления пушечного типа

Основная статья: Оружие деления пушечного типа

«Маленький мальчик» , бомба, сброшенная на Хиросиму, использовала 64 кг (141 фунт) урана со средним обогащением около 80%, или 51 кг (112 фунтов) урана-235, что примерно соответствует критической массе голого металла. ( Little Boy подробный рисунок см. в статье ) . В собранном виде внутри тампера/отражателя из карбида вольфрама масса 64 кг (141 фунт) превышала критическую массу более чем в два раза. Перед взрывом уран-235 разделился на две докритические части, одна из которых позже была выпущена в ствол пушки, чтобы присоединиться к другой, что привело к ядерному взрыву. Анализ показывает, что делению подверглось менее 2% массы урана; остальная часть, составлявшая большую часть всей военной продукции гигантских заводов Y-12 в Ок-Ридже, была бесполезно разбросана.

Неэффективность была вызвана скоростью, с которой несжатый делящийся уран расширялся и становился докритическим из-за пониженной плотности. Несмотря на свою неэффективность, эта конструкция из-за своей формы была адаптирована для использования в цилиндрических артиллерийских снарядах малого диаметра ( боевая часть пушечного типа, стреляющая из ствола гораздо более крупного орудия). Такие боеголовки были развернуты Соединенными Штатами до 1992 года, что составило значительную часть ²³⁵ Ты в арсенале и были одними из первых видов оружия, демонтированных в соответствии с договорами, ограничивающими количество боеголовок. Причиной такого решения, несомненно, было сочетание более низкой мощности и серьезных проблем с безопасностью, связанных с конструкцией пушки.

Имплозивного типа

И для устройства «Тринити» , и для бомбы «Толстяк » (Нагасаки) использовались почти идентичные конструкции деления плутония посредством имплозии. В устройстве «Толстяк» конкретно использовалось 6,2 кг (14 фунтов), около 350 мл или 12 жидких унций США по объему, Pu-239 , что составляет всего 41% критической массы голой сферы. ( «Толстяк» подробный рисунок см. в статье ) . окруженная отражателем/тамбером из U-238 Яма Толстяка, , была доведена до критической массы благодаря свойствам отражения нейтронов U-238. При детонации критичность достигалась за счет имплозии. Яма с плутонием была сжата для увеличения ее плотности путем одновременной детонации, как и в случае испытательного взрыва «Тринити» тремя неделями ранее, обычной взрывчатки, равномерно размещенной вокруг ямы. Взрывчатка была приведена в действие несколькими взрывающимися детонаторами . Подсчитано, что только около 20% плутония подверглось делению; остальное, около 5 кг (11 фунтов), было разбросано.

Небольшой замедленный разрез устройства имплозии кумулятивного заряда.

Ударная волна имплозии может иметь такую ​​короткую продолжительность, что в любой момент прохождения волны через нее сжимается только часть ямы. Чтобы предотвратить это, может потребоваться оболочка-толкатель. Толкатель расположен между взрывной линзой и тампером. Он работает путем отражения части ударной волны назад, тем самым увеличивая ее продолжительность. Он сделан из низкой плотности металла , такого как алюминий , бериллий или сплав двух металлов (алюминий легче и безопаснее поддается формованию, и он на два порядка дешевле; бериллий обладает высокой способностью отражать нейтроны). Толстяк использовал алюминиевый толкатель.

Серия экспериментов RaLa по испытаниям концепций конструкции оружия деления имплозивного типа, проводившаяся с июля 1944 года по февраль 1945 года в Лос-Аламосской лаборатории и на удаленном полигоне в 14,3 км (8,9 миль) к востоку от нее в Байо-Каньоне, доказала практичность этого оружия. конструкция имплозии для устройства деления, испытания в феврале 1945 года положительно определили ее пригодность для окончательной конструкции имплозии плутония Тринити / Толстяк.

Ключом к большей эффективности «Толстяка» был внутренний импульс массивного тампера U-238. (Тампер из природного урана не подвергался делению тепловыми нейтронами, но давал примерно 20% общего выхода от деления быстрыми нейтронами). После того, как цепная реакция началась в плутонии, она продолжалась до тех пор, пока взрыв не изменил импульс имплозии и не расширился настолько, чтобы остановить цепную реакцию. Удерживая все вместе еще несколько сотен наносекунд, тампер повысил эффективность.

Он пьет плутоний

Основная статья: Яма (ядерное оружие)

Флэш-рентгеновские изображения сходящихся ударных волн, образовавшихся во время испытания фугасной линзовой системы.

Ядро имплозивного оружия – делящийся материал и любой отражатель или тампер, прикрепленный к нему – известно как яма . В некоторых видах оружия, испытанных в 1950-х годах, использовались ямы, сделанные только из урана-235 или в смеси с плутонием . но ямы, состоящие исключительно из плутония, имеют наименьший диаметр и являются стандартом с начала 1960-х годов.

Отливка и последующая обработка плутония сложны не только из-за его токсичности, но и потому, что плутоний имеет множество различных металлических фаз . По мере охлаждения плутония изменения фаз приводят к деформации и растрескиванию. Это искажение обычно преодолевается путем легирования его 30–35 ммоль (0,9–1,0% по весу) галлия , образуя сплав плутония и галлия , который заставляет его принимать свою дельта-фазу в широком диапазоне температур. При охлаждении из расплавленного состояния он имеет только одно фазовое изменение, от эпсилона до дельта, вместо четырех изменений, через которые он мог бы пройти в противном случае. Другие трехвалентные металлы также подойдут, но галлий имеет небольшое сечение поглощения нейтронов и помогает защитить плутоний от коррозии . Недостатком является то, что соединения галлия вызывают коррозию, и поэтому, если плутоний извлекается из демонтированного оружия для переработки в диоксид плутония для энергетических реакторов , возникают трудности с удалением галлия.

Поскольку плутоний химически активен, завершенную яму обычно покрывают тонким слоем инертного металла, что также снижает токсическую опасность. В гаджете использовано гальваническое посеребрение; в дальнейшем никель , осажденный из паров тетракарбонила никеля , использовался но с тех пор золото стало предпочтительным материалом. Последние разработки повышают безопасность за счет покрытия ям ванадием, чтобы сделать ямы более огнестойкими.

Имплозия левитирующей ямы

Серия испытаний ядерного оружия в Песчанике в 1948 году доказала возможность повышения эффективности мощности с помощью метода конструкции левитирующей ямы.

Первым усовершенствованием конструкции «Толстяка» было создание воздушного пространства между тампером и ямой для создания удара молотком по гвоздю. Говорят, что яма, поддерживаемая полым конусом внутри полости тампера, «левитирует». В трех испытаниях операции «Песчаник» в 1948 году использовались конструкции «Толстяка» с левитирующими ямами. Максимальная мощность составила 49 килотонн, что более чем в два раза превышает мощность нелевитирующего «Толстяка».

Это было сразу ясно что имплозия была лучшей конструкцией для оружия деления. Единственным его недостатком, казалось, был диаметр. Толстяк имел ширину 1,5 метра (5 футов) против 61 сантиметра (2 фута) у Маленького мальчика.

Яма Pu-239 Толстяка имела диаметр всего 9,1 сантиметра (3,6 дюйма) и была размером с мяч для софтбола. Основную часть обхвата Толстяка составлял механизм имплозии, а именно концентрические слои U-238, алюминия и взрывчатки. Ключом к уменьшению этого обхвата была конструкция двухточечного имплозии.

Двухточечная линейная имплозия

При двухточечной линейной имплозии ядерное топливо приобретает твердую форму и помещается в центр цилиндра с фугасным взрывчатым веществом. Детонаторы размещаются на обоих концах цилиндра взрывчатого вещества, а пластинчатая вставка или формирователь помещается во взрывчатое вещество непосредственно внутри детонаторов. При срабатывании детонаторов первоначальная детонация захватывается между формирователем и концом цилиндра, заставляя ее распространяться к краям формирователя, где она дифрагирует по краям в основную массу взрывчатого вещества. Это приводит к тому, что детонация формируется в кольцо, идущее внутрь от формирователя.

Из-за отсутствия тампера или линз для формирования хода детонация не достигает ямы сферической формы. Чтобы произвести желаемый сферический взрыв, самому делящемуся материалу придают такую ​​форму, чтобы произвести тот же эффект. Из-за физики распространения ударной волны внутри массы взрывчатого вещества яма должна иметь вытянутый сфероид , то есть иметь форму примерно яйца. Ударная волна сначала достигает ямы на ее кончиках, загоняя их внутрь и заставляя массу приобретать сферическую форму. Удар может также перевести плутоний из дельта-фазы в альфа-фазу, увеличив его плотность на 23%, но без внутреннего импульса настоящего взрыва.

Отсутствие сжатия делает такие конструкции неэффективными, но простота и небольшой диаметр делают их пригодными для использования в артиллерийских снарядах и атомных боеприпасах для подрыва – ADM – также известных как ранцевые или чемоданные ядерные бомбы ; примером является артиллерийский снаряд W48 , самое маленькое ядерное оружие, когда-либо созданное или развернутое. Все такое маломощное боевое оружие, будь то конструкции U-235 пушечного типа или конструкции Pu-239 с линейной имплозией, требуют высокой цены на делящийся материал, чтобы достичь диаметра от шести до десяти дюймов (15 и 25 см).

Полая имплозия

В более эффективной системе имплозии используется полая яма.

Полая плутониевая яма была первоначальным планом бомбы «Толстяк» 1945 года, но на разработку и испытание системы имплозии для нее не хватило времени. Более простая конструкция с цельной ямой считалась более надежной, учитывая ограничения по времени, но для нее требовался тяжелый трамбовщик U-238, толстый алюминиевый толкатель и три тонны взрывчатки.

После войны интерес к конструкции полых ям возродился. Его очевидным преимуществом является то, что полая оболочка из плутония, деформированная ударом и направленная внутрь к своему пустому центру, придаст импульс своей бурной сборке в виде твердой сферы. Он будет самозабивным, для него потребуется меньший тампер из U-238, отсутствие алюминиевого толкателя и менее высокая взрывчатка.

Деление, усиленное термоядерным синтезом

Основная статья: Оружие усиленного деления

Объект серии испытаний «Теплица» был первым устройством ядерного оружия, мощность которого была достигнута с использованием принципов повышения мощности.

Следующим шагом в миниатюризации было ускорение деления ямы для уменьшения минимального времени инерционного удержания. Это позволило бы эффективно делить топливо с меньшей массой в виде тампера или самого топлива. Ключом к достижению более быстрого деления было бы введение большего количества нейтронов, и среди многих способов сделать это добавление реакции термоядерного синтеза было относительно простым в случае полой ямы.

Проще всего осуществить реакцию синтеза в смеси трития и дейтерия в соотношении 50–50. Для экспериментов по термоядерному синтезу эту смесь необходимо выдерживать при высоких температурах в течение относительно длительного времени, чтобы реакция прошла эффективно. Однако при использовании взрывчатых веществ цель состоит не в том, чтобы произвести эффективный термоядерный синтез, а в том, чтобы просто обеспечить дополнительные нейтроны на ранних стадиях процесса. Поскольку ядерный взрыв является сверхкритическим, любые дополнительные нейтроны будут умножаться в результате цепной реакции, поэтому даже небольшие количества, введенные на ранней стадии, могут оказать большое влияние на результат. По этой причине даже относительно низкие давления и время сжатия (с точки зрения термоядерного синтеза), обнаруженные в центре боеголовки с полой ямой, достаточны для создания желаемого эффекта.

В форсированной конструкции термоядерное топливо в газообразном виде закачивается в яму во время взведения. Вскоре после начала деления он превратится в гелий и высвободит свободные нейтроны. Нейтроны запустят большое количество новых цепных реакций, пока яма все еще находится в критическом или почти критическом состоянии. Как только полая яма будет доведена до совершенства, останется мало причин не повышать мощность; дейтерий и тритий легко производятся в необходимых небольших количествах, а технические аспекты тривиальны.

Концепция деления с помощью термоядерного синтеза была впервые проверена 25 мая 1951 года в ходе операции « Оранжерея» , Эниветок , мощностью 45,5 килотонн.

Ускорение уменьшает диаметр тремя способами, и все это является результатом более быстрого деления:

• Поскольку сжатую яму не нужно удерживать так долго, массивный тампер из U-238 можно заменить легкой бериллиевой оболочкой (для отражения вылетающих нейтронов обратно в яму). Диаметр уменьшен.
• Массу ямы можно уменьшить вдвое, не снижая при этом урожайность. Диаметр снова уменьшается.
• Поскольку масса взрываемого металла (трамбовка плюс яма) уменьшается, требуется меньший заряд бризантного взрывчатого вещества, что еще больше уменьшает диаметр.

Первым устройством, размеры которого предполагают использование всех этих функций (двухточечная имплозия с полой ямой и термоядерным синтезом), было устройство Свон . Он имел цилиндрическую форму диаметром 11,6 дюйма (29 см) и длиной 22,8 дюйма (58 см).

Сначала он был испытан автономно, а затем в качестве основного двухступенчатого термоядерного устройства во время операции Redwing . Он был использован в качестве основного устройства Робина и стал первым готовым многоцелевым основным устройством и прототипом для всего, что последовало за ним.

После успеха Swan 11 или 12 дюймов (28 или 30 см), казалось, стали стандартным диаметром одноступенчатых устройств с наддувом, испытанных в 1950-х годах. Длина обычно была в два раза больше диаметра, но одно такое устройство, ставшее боеголовкой W54 , было ближе к сфере и имело длину всего 15 дюймов (38 см).

Одним из применений W54 стал снаряд безоткатной винтовки Davy Crockett XM-388 . Его размеры составляли всего 11 дюймов (28 см), и здесь он показан в сравнении со своим предшественником Fat Man (60 дюймов (150 см)).

Еще одним преимуществом ускорения, помимо того, что оно делает оружие меньше, легче и с меньшим количеством делящегося материала при заданной мощности, является то, что оно делает оружие невосприимчивым к преддетонации. В середине 1950-х годов было обнаружено, что плутониевые ямы будут особенно подвержены частичной преддетонации , если подвергнуться интенсивному излучению близлежащего ядерного взрыва (электроника также может быть повреждена, но это отдельная проблема). РИ представляла собой особую проблему До появления эффективных радиолокационных систем раннего предупреждения , поскольку первый удар мог сделать ответное оружие бесполезным. Ускорение уменьшает количество плутония, необходимого для оружия, до уровня ниже количества, которое было бы уязвимо для этого эффекта.

Двухступенчатая термоядерная

Основная статья: Термоядерное оружие

Айви Майк , первый двухступенчатый термоядерный взрыв, 10,4 мегатонны, 1 ноября 1952 года.

Оружие деления на основе чистого деления или термоядерного синтеза может производить сотни килотонн при больших затратах на делящийся материал и тритий, но, безусловно, наиболее эффективный способ увеличить мощность ядерного оружия сверх десяти или около того килотонн — это добавить вторую независимую ступень. , называемый вторичным.

В 1940-х годах конструкторы бомбы в Лос-Аламосе думали, что вторичной обмоткой будет баллон с дейтерием в сжиженном или гидридном виде. Реакция синтеза будет DD, ее труднее достичь, чем DT, но она более доступна. Бомба деления на одном конце будет ударно сжиматься и нагревать ближний конец, а термоядерный синтез будет распространяться через контейнер к дальнему концу. Математическое моделирование показало, что это не сработает даже с добавлением большого количества дорогого трития.

Вся канистра с термоядерным топливом должна быть окутана энергией деления, чтобы как сжимать, так и нагревать ее, как в случае с бустерным зарядом в форсированной первичной обмотке. Прорыв в конструкции произошел в январе 1951 года, когда Эдвард Теллер и Станислав Улам изобрели радиационную имплозию, которая в течение почти трех десятилетий была известна публично только как Теллера-Улама . секрет водородной бомбы

Концепция радиационной имплозии была впервые проверена 9 мая 1951 года в ходе операции «Оранжерея» в Эниветок, взрыв мощностью 225 килотонн. Первое полное испытание состоялось 1 ноября 1952 года, Майка выстрел в рамках операции «Плющ» , Эниветок, мощностью 10,4 мегатонны.

При радиационной имплозии всплеск рентгеновской энергии, исходящий от взрывающейся первичной обмотки, улавливается и удерживается внутри радиационного канала с непрозрачными стенками, который окружает компоненты ядерной энергии вторичной обмотки. Излучение быстро превращает пенопласт, заполнявший канал, в плазму, которая в основном прозрачна для рентгеновских лучей, а излучение поглощается в самых внешних слоях толкателя/тампера, окружающих вторичную обмотку, которая аблирует и применяет огромную силу. (очень похоже на вывернутый наизнанку ракетный двигатель), вызывая взрыв термоядерной топливной капсулы, подобно яме первичной обмотки. Когда вторичная обмотка взрывается, делящаяся «свеча зажигания» в ее центре воспламеняется и выделяет нейтроны и тепло, которые позволяют термоядерному топливу из дейтерида лития производить тритий и также воспламеняться. Цепные реакции деления и синтеза обмениваются нейтронами друг с другом и повышают эффективность обеих реакций. Большая имплозийная сила, повышенная эффективность делящейся «свечи зажигания» за счет ускорения термоядерными нейтронами и сам термоядерный взрыв обеспечивают значительно большую мощность взрыва вторичной обмотки, несмотря на то, что она часто ненамного больше первичной.

Последовательность срабатывания механизма абляции.

1. Боевая часть перед выстрелом. Вложенные друг в друга сферы вверху — это первичная обмотка деления; цилиндры ниже представляют собой вторичное термоядерное устройство.
2. первичного преобразователя Взрывчатка первичной обмотки взорвалась и разрушила яму делящегося .
3. Реакция деления первичной обмотки завершилась, и первичная обмотка сейчас имеет температуру в несколько миллионов градусов и излучает гамма- и жесткое рентгеновское излучение, нагревая внутреннюю часть хольраума , щит и тампер вторичной обмотки.
4. Реакция праймериз закончилась, и она расширилась. Поверхность толкателя вторичной обмотки теперь настолько горячая, что она также аблируется или расширяется, толкая остальную часть вторичной обмотки (тампер, термоядерное топливо и делящуюся свечу зажигания) внутрь. Свеча зажигания начинает делить. Не изображено: корпус радиации также аблируется и расширяется наружу (опущено для наглядности схемы).
5. Топливо вторичной обмотки запустило реакцию термоядерного синтеза и вскоре сгорит. Начинает формироваться огненный шар.

Например, во время испытаний Redwing Mohawk 3 июля 1956 года к первичному Swan была прикреплена вторичная обмотка под названием Flute. Флейта имела диаметр 15 дюймов (38 см) и длину 23,4 дюйма (59 см), что соответствует размеру лебедя. Но он весил в десять раз больше и давал в 24 раза больше энергии (355 килотонн против 15 килотонн).

Не менее важно и то, что активные ингредиенты в «Флейте», вероятно, стоят не дороже, чем в «Лебеде». Большая часть деления произошла из-за дешевого урана-238, а тритий был произведен на месте во время взрыва. Только свеча зажигания на оси вторичной обмотки должна была быть делящейся.

Сферический вторичный элемент может обеспечить более высокую плотность имплозии, чем цилиндрический вторичный элемент, потому что сферический имплозия продвигается со всех сторон к одному и тому же месту. Однако в боеголовках мощностью более одной мегатонны диаметр сферической вторичной обмотки будет слишком большим для большинства применений. В таких случаях необходима цилиндрическая вторичная обмотка. Небольшие конусообразные возвращаемые части баллистических ракет с разделяющимися боеголовками после 1970 года, как правило, имели боеголовки со сферическими вторичными частями и мощность в несколько сотен килотонн.

Как и в случае с ускорителем, преимущества двухступенчатой ​​термоядерной конструкции настолько велики, что нет особых стимулов не использовать ее, как только страна освоит эту технологию.

С инженерной точки зрения радиационная имплозия позволяет использовать некоторые известные особенности материалов ядерных бомб, которые до сих пор ускользали от практического применения. Например:

• Оптимальный способ хранения дейтерия в достаточно плотном состоянии — химическое соединение его с литием в виде дейтерида лития. Но изотоп лития-6 также является сырьем для производства трития, а взрывающаяся бомба — это ядерный реактор. Радиационная имплозия будет удерживать все вместе достаточно долго, чтобы обеспечить полное превращение лития-6 в тритий, пока бомба взорвется. Таким образом, связующий агент для дейтерия позволяет использовать реакцию DT-синтеза без хранения заранее изготовленного трития во вторичной обмотке. Ограничение производства трития исчезает.
• Чтобы вторичная обмотка взорвалась под действием окружающей ее горячей радиационно-индуцированной плазмы, она должна оставаться холодной в течение первой микросекунды, т. е. должна быть заключена в массивный радиационный (тепловой) экран. Массивность щита позволяет ему выполнять функцию тампера, добавляя импульс и продолжительность взрыва. Ни один материал не подходит лучше для обеих этих задач, чем обычный дешевый уран-238, который также подвергается делению под воздействием нейтронов, образующихся в результате DT-синтеза. Таким образом, этот корпус, называемый толкателем, выполняет три задачи: поддерживать охлаждение вторичной обмотки; удерживать его по инерции в сильно сжатом состоянии; и, наконец, служить главным источником энергии для всей бомбы. Расходуемый толкатель делает бомбу скорее бомбой деления урана, чем бомбой термоядерного синтеза. Инсайдеры никогда не использовали термин «водородная бомба».
• Наконец, тепло для термоядерного воспламенения исходит не от первичной обмотки, а от второй бомбы деления, называемой свечой зажигания, встроенной в сердце вторичной обмотки. Взрыв вторичной обмотки взрывает эту свечу зажигания, детонируя ее и воспламеняя материал вокруг нее, но затем свеча зажигания продолжает деление в богатой нейтронами среде до тех пор, пока не израсходуется полностью, что значительно увеличивает выходную мощность.

В последующие пятьдесят лет никто не придумал более эффективного способа создания термоядерной бомбы. Это проект, выбранный Соединенными Штатами, Россией, Великобританией, Китаем и Францией, пятью термоядерными державами. 3 сентября 2017 года Северная Корея провела , по ее словам, свое первое испытание «двухступенчатого термоядерного оружия». По словам доктора Теодора Тейлора , после изучения просочившихся фотографий разобранных компонентов оружия, сделанных до 1986 года, Израиль обладает усиленным оружием и ему потребуются суперкомпьютеры той эпохи, чтобы продвинуться дальше к полноценному двухступенчатому оружию в мегатонном диапазоне без ядерных испытательных взрывов. Другие страны, обладающие ядерным оружием, Индия и Пакистан, вероятно, имеют одноступенчатое оружие, возможно, усиленное.

Межступенчатый

В двухступенчатом термоядерном оружии энергия первичной обмотки воздействует на вторичную. Необходимый Модулятор передачи энергии, называемый промежуточным, между первичной и вторичной обмотками, защищает термоядерное топливо вторичной обмотки от слишком быстрого нагрева, что может привести к его взрыву в результате обычного (и небольшого) теплового взрыва до того, как реакции синтеза и деления получат возможность начаться. .

В открытой литературе очень мало информации о механизме интерстадии. Первое упоминание о ней в документе правительства США, официально обнародованном, судя по всему, представляет собой подпись к графическому изображению, рекламирующему программу надежной замены боеголовок в 2007 году. В случае создания эта новая конструкция заменит «токсичный, хрупкий материал» и «дорогие «специальные» боеголовки». материал» в промежутке. Это утверждение предполагает, что промежуточная ступень может содержать бериллий для смягчения потока нейтронов из первичной обмотки и, возможно, что-то, что поглощает и переизлучает рентгеновские лучи определенным образом. Есть также некоторые предположения, что этот промежуточный материал, который может иметь кодовое название Fogbank , может быть аэрогелем , возможно, с примесью бериллия и/или других веществ.

Промежуточный и вторичный каскады заключены вместе внутри мембраны из нержавеющей стали, образуя герметичный узел (CSA), конструкция которого никогда не была изображена ни на одном чертеже с открытым исходным кодом. На наиболее подробной иллюстрации межступенчатой ​​системы показано британское термоядерное оружие с скоплением элементов между его первичной и цилиндрической вторичной обмотками. Они имеют маркировку «линза с торцевой крышкой и нейтронной фокусировкой», «лафет отражателя/нейтронной пушки» и «обертка отражателя». Происхождение рисунка, размещенного в Интернете Гринписом, неясно, а сопроводительного объяснения нет.

Конкретные конструкции

Хотя каждая конструкция ядерного оружия попадает в одну из вышеперечисленных категорий, конкретные конструкции иногда становились предметом новостных сообщений и общественных дискуссий, часто с неверными описаниями того, как они работают и что они делают. Примеры:

Будильник/Слойка

Касл - Юнион , 6,9 мегатонны.

Первой попыткой использовать симбиотическую связь между делением и синтезом была конструкция 1940-х годов, в которой деление и термоядерное топливо смешивались в чередующихся тонких слоях. Поскольку это одноступенчатое устройство, это было бы громоздким применением ускоренного деления. Впервые он стал практичным, когда был включен во вторичную часть двухступенчатого термоядерного оружия.

Американское название «Будильник» пришло от Теллера: он назвал его так, потому что он мог «разбудить мир» к возможности потенциала Супер. Русское название того же дизайна было более информативным: Слойка ( по-русски : Слойка ), слоеный торт. Одноступенчатая советская «Слойка» была испытана как РДС-6 12 августа 1953 года. Одноступенчатая версия для США не тестировалась, но под кодовым названием Castle Union выстрел в ходе операции «Касл» 26 апреля 1954 года представлял собой двухступенчатое термоядерное устройство. под кодовым названием «Будильник». Его мощность в Бикини составила 6,9 мегатонн.

Поскольку в советских испытаниях «Слойки» использовался сухой дейтерид лития-6 за восемь месяцев до первого испытания с его использованием в США (Касл-Браво, 1 марта 1954 г.), иногда утверждалось, что СССР выиграл гонку водородных бомб, хотя Соединенные Штаты испытал и разработал первую водородную бомбу: испытание водородной бомбы Айви Майка. В испытаниях Айви Майка в США в 1952 году в качестве термоядерного топлива во вторичной обмотке использовался криогенно охлажденный жидкий дейтерий, а также использовалась реакция термоядерного синтеза DD. Однако первое советское испытание, в котором использовалась радиационно-взорванная вторичная обмотка, важнейшая особенность настоящей водородной бомбы, состоялось 23 ноября 1955 года, через три года после Айви Майк. Фактически, настоящая работа над схемой имплозии в Советском Союзе началась только в самом начале 1953 года, через несколько месяцев после успешных испытаний «Слойки».

Чистые бомбы

Фагот, прототип чистой бомбы мощностью 9,3 мегатонны или грязной бомбы мощностью 25 мегатонн. Здесь показана грязная версия до испытаний 1956 года. Два крепления слева представляют собой световые трубы ; подробности см. ниже.

1 марта 1954 года в результате крупнейшего в истории США испытательного ядерного взрыва, 15-мегатонного Касл-Браво выстрела в ходе операции Касл на атолле Бикини, была доставлена ​​смертельная доза продуктов ядерного деления на площадь более 6000 квадратных миль (16000 км2). ² ) поверхности Тихого океана. Радиационные поражения жителей Маршалловых островов и японских рыбаков сделали этот факт достоянием общественности и раскрыли роль ядерного деления в водородных бомбах.

В ответ на общественную тревогу по поводу радиоактивных осадков была предпринята попытка разработать экологически чистое многомегатонное оружие, почти полностью опирающееся на термоядерный синтез. Энергия, вырабатываемая в результате деления необогащенного природного урана , когда он используется в качестве тамперного материала на вторичной и последующих стадиях конструкции Теллера-Улама, может значительно превышать энергию, выделяемую при термоядерном синтезе, как это было в случае испытания Касл-Браво. Замена расщепляющегося материала в тампере другим материалом необходима для создания «чистой» бомбы. В таком устройстве тампер больше не отдает энергию, поэтому при любом заданном весе чистая бомба будет иметь меньшую мощность. Самый ранний известный случай испытания трехступенчатого устройства, при котором третья ступень, называемая третичной, воспламенялась от вторичной, произошел 27 мая 1956 года в устройстве «Фагот». Это устройство было испытано в ходе операции «Красное крыло» на Зуни . В этом выстреле использовались неделящиеся тамперы; использовался инертный материал-заменитель, такой как вольфрам или свинец. Его мощность составила 3,5 мегатонны, 85% синтеза и только 15% деления.

Концепция Ripple, в которой использовалась абляция для достижения термоядерного синтеза с минимальными затратами на деление, была и остается, безусловно, самой чистой разработкой. В отличие от предыдущих чистых бомб, которые были чистыми просто за счет замены ядерного топлива инертным веществом, Ripple изначально была чистой. Ripple также был чрезвычайно эффективен; планы на 15 кт/кг были сделаны во время операции «Доминик» . Выстрел Андроскоггина представлял собой экспериментальную конструкцию Ripple, в результате чего мощность взрыва составила 63 килотонны (значительно ниже прогнозируемых 15 мегатонн). Это было повторено в выстреле Housatonic, в котором произошел взрыв мощностью 9,96 мегатонны, который, как сообщается, был термоядерным на >99,9%.

Публичными данными об устройствах, которые произвели наибольшую долю мощности за счет реакций термоядерного синтеза, являются мирные ядерные взрывы 1970-х годов. Другие включают 10-мегатонную «Доминик Хаусатоник» с степенью слияния более 99,9%, «Царь-бомбу» мощностью 50 мегатонн с степенью слияния 97%, мощностью 9,3 мегатонны испытание Hardtack Poplar при 95%, и испытание Redwing Navajo мощностью 4,5 мегатонны при термоядерном синтезе 95%.

Наиболее амбициозное мирное применение ядерных взрывов осуществлялось СССР с целью создания канала длиной 112 км между бассейном рек Печора и бассейном реки Кама , около половины которого должно было быть построено за счет серии подземных ядерных взрывов. Сообщалось, что для достижения конечной цели может быть использовано около 250 ядерных устройств. Испытание в Тайге должно было продемонстрировать осуществимость проекта. Три таких «чистых» устройства мощностью по 15 килотонн каждое были помещены в отдельные скважины, расположенные на расстоянии около 165 метров друг от друга на глубине 127 метров. Они были взорваны одновременно 23 марта 1971 года, выбросив в воздух радиоактивный шлейф, который ветром унес на восток. Образовавшаяся траншея имела длину около 700 м, ширину 340 м и не впечатляющую глубину всего 10–15 м. Несмотря на свою «чистую» природу, в этом районе по-прежнему наблюдается заметно более высокая (хотя и в основном безвредная) концентрация продуктов деления, интенсивная нейтронная бомбардировка почвы, само устройство и опорные конструкции также активировали свои стабильные элементы, создавая значительное количество искусственные радиоактивные элементы, такие как ⁶⁰ Общая опасность, создаваемая концентрацией радиоактивных элементов, присутствующих на объекте, созданном этими тремя устройствами, по-прежнему незначительна, но более масштабный проект, как предполагалось, имел бы значительные последствия как из-за выпадения радиоактивного шлейфа, так и из-за созданных радиоактивных элементов. нейтронной бомбардировкой.

19 июля 1956 года председатель AEC Льюис Штраусс заявил, что испытание чистой бомбы Redwing Zuni «имело большое значение... с гуманитарной точки зрения». Однако менее чем через два дня после этого объявления грязная версия Фагота, получившая название Фагот Прайм, с тампером из урана-238 , была испытана на барже у побережья атолла Бикини во время выстрела Redwing Tewa . Фагот Прайм произвел мощность в 5 мегатонн, из которых 87% приходится на деление. Данные, полученные в результате этого и других испытаний, привели к окончательному развертыванию самого мощного известного ядерного оружия США и оружия с самым высоким удельным весом, когда-либо созданного , трехступенчатого термоядерного оружия с максимальной «грязной» мощностью 25 мегатонн, обозначенная как ядерная бомба B41 , которую должны были нести бомбардировщики ВВС США до момента ее вывода из эксплуатации; это оружие так и не было полностью испытано.

Третье поколение

Ядерное оружие первого и второго поколения высвобождает энергию в виде всенаправленных взрывов. Третье поколение Ядерное оружие — это экспериментальные боеголовки со специальным эффектом и устройства, способные направленно высвобождать энергию, некоторые из которых были испытаны во время холодной войны , но так и не были развернуты. К ним относятся:

• Проект «Прометей», также известный как «Ядерный дробовик», в котором ядерный взрыв использовался бы для ускорения кинетических пенетраторов против межконтинентальных баллистических ракет.
• Проект «Эскалибур» — рентгеновский лазер с ядерной накачкой для уничтожения баллистических ракет .
• Ядерные кумулятивные заряды , фокусирующие свою энергию в определенных направлениях.
• Проект «Орион» исследовал использование ядерной взрывчатки для ракетных двигателей.

Четвертое поколение

Идея ядерного оружия «четвертого поколения» была предложена как возможный преемник перечисленных выше примеров конструкций оружия. Эти методы, как правило, основаны на использовании неядерных первичных ядер для запуска дальнейших реакций деления или синтеза. Например, если бы антиматерию можно было использовать и контролировать в макроскопических количествах, реакция между небольшим количеством антиматерии и эквивалентным количеством материи могла бы высвободить энергию, сравнимую с небольшой энергией ядерного оружия, и, в свою очередь, могла бы использоваться в качестве первой стадии очень мощного ядерного оружия. компактное термоядерное оружие. Чрезвычайно мощные лазеры также потенциально могли бы использоваться таким же образом, если бы их можно было сделать достаточно мощными и достаточно компактными, чтобы их можно было использовать в качестве оружия. Большинство этих идей являются версиями чистого термоядерного оружия и имеют общее свойство: они включают в себя до сих пор нереализованные технологии в качестве «первичных» стадий.

Хотя многие страны вложили значительные средства в исследовательские программы термоядерного синтеза с инерционным удержанием , с 1970-х годов он не считался перспективным для прямого использования оружия, а скорее как инструмент для исследований, связанных с оружием и энергетикой, который можно использовать в отсутствие полноценных технологий. масштабные ядерные испытания. Неясно, занимаются ли какие-либо страны агрессивным созданием оружия «четвертого поколения». Во многих случаях (как и в случае с антиматерией) в настоящее время считается, что лежащая в основе технология очень далека от жизнеспособности, и если бы она была жизнеспособной, она сама по себе стала бы мощным оружием, вне контекста ядерного оружия и не предоставляя каких-либо существенных преимуществ. выше существующих конструкций ядерного оружия

Чистое термоядерное оружие

Основная статья: Чистое термоядерное оружие

С 1950-х годов Соединенные Штаты и Советский Союз исследовали возможность высвобождения значительного количества энергии ядерного синтеза без использования первичной обмотки деления. Такое «чисто термоядерное оружие» в первую очередь задумывалось как тактическое ядерное оружие малой мощности, преимуществом которого была бы его способность использовать без образования радиоактивных осадков в масштабах оружия, выделяющего продукты деления. В 1998 году Министерство энергетики США рассекретило следующее:

(1) Тот факт, что Министерство энергетики в прошлом вложило значительные средства в разработку чистого термоядерного оружия.

(2) Что США не имеют и не разрабатывают чисто термоядерное оружие; и

(3) Инвестиции Министерства энергетики не привели к созданию заслуживающей доверия конструкции чистого термоядерного оружия.

Красная ртуть , вероятно, фиктивное вещество, рекламируется как катализатор для создания чистого термоядерного оружия.

Кобальтовые бомбы

Основная статья: Кобальтовая бомба

См. Также: Соленая бомба.

Бомба судного дня, ставшая популярной благодаря Невила Шута 1957 года роману и последующему фильму 1959 года «На пляже» . Кобальтовая бомба представляет собой водородную бомбу с оболочкой из кобальта. Активированный нейтронами кобальт мог бы максимизировать ущерб окружающей среде от радиоактивных осадков. Эти бомбы были популяризированы в фильме 1964 года « Доктор Стрейнджлав, или: Как я научился не волноваться и полюбил бомбу» ; материал, добавленный в бомбы, в фильме называется «кобальт-торий G».

Такое «просоленное» оружие исследовало Министерство обороны США. Продукты деления столь же смертоносны, как и активированный нейтронами кобальт.

Первоначально гамма-излучение продуктов деления бомбы деления-синтеза-деления эквивалентного размера намного интенсивнее, чем Кобальт-60 ( ⁶⁰
Ко
): в 15 000 раз интенсивнее за 1 час; в 35 раз интенсивнее за 1 неделю; в 5 раз интенсивнее через 1 месяц; и примерно одинаково в 6 мес. После этого деление быстро затухает, так что ⁶⁰
Ко
Выпадение осадков в 8 раз интенсивнее деления через 1 год и в 150 раз интенсивнее через 5 лет. Очень долгоживущие изотопы, образующиеся в результате деления, обогнали бы ⁶⁰
Ко
снова примерно через 75 лет.

В результате тройного «таежного» залпового испытания ядерного оружия в рамках предварительного проекта Печоро-Камского канала в марте 1971 года было произведено небольшое количество продуктов деления, и поэтому сравнительно большое количество продуктов активации материала корпуса ответственно за большую часть остаточной активности на сайт сегодня, а именно ⁶⁰
Ко
. По состоянию на 2011 год активация нейтронов, генерируемых термоядерным синтезом, составляла около половины дозы гамма-излучения на полигоне. Эта доза слишком мала, чтобы вызвать вредные последствия, и вокруг образовавшегося озера существует нормальная зеленая растительность.

Произвольно большие многокаскадные устройства

Часто предлагается идея устройства, которое имеет сколь угодно большое количество ступеней Теллера-Улама, каждая из которых приводит к более мощному радиационному взрыву, чем предыдущая ступень. но технически спорный. В открытой литературе есть «хорошо известные эскизы и некоторые разумные расчеты двухступенчатого оружия, но нет столь же точных описаний истинных трехступенчатых концепций».

В середине 1950-х – начале 1960-х годов ученые, работавшие в оружейных лабораториях США, исследовали концепции оружия мощностью до 1000 мегатонн. и Эдвард Теллер сообщили о работе над оружием мощностью 10 000 мегатонн под кодовым названием SUNDIAL на заседании Генерального консультативного комитета Комиссии по атомной энергии. Большая часть информации об этих усилиях остается засекреченной. но идеи оружия, похоже, не вышли за рамки теоретических исследований. Хотя и США, и Советский Союз исследовали (а в случае Советского Союза - испытывали) конструкции оружия «очень высокой мощности» (например, +50-100 мегатонн) в 1950-х и начале 1960-х годов, Похоже, что они представляют собой верхний предел мощности оружия времен Холодной войны, к которому серьезно стремились. Тенденции развития боеголовок времен холодной войны, начиная с середины 1960-х годов, и особенно после Договора об ограниченном запрещении испытаний , вместо этого привели к созданию более компактных боеголовок меньшей мощности, которые давали больше возможностей для доставки.

После обеспокоенности, вызванной предполагаемым гигатонным масштабом удара кометы Шумейкера-Леви-9 в 1994 году о планету Юпитер , на встрече в 1995 году в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) Эдвард Теллер сделал предложение коллективу американских и российских бывших участников Холодной войны. разработчикам оружия, что они будут сотрудничать в разработке ядерного взрывного устройства мощностью 1000 мегатонн для отклонения астероидов класса вымирания (диаметром более 10 км), которое будет использовано в случае, если один из этих астероидов окажется на траектории столкновения с Землей.

Нейтронные бомбы

Основная статья: Нейтронная бомба

Нейтронная бомба, технически называемая оружием повышенной радиации (ВПВ), представляет собой тип тактического ядерного оружия, специально разработанного для высвобождения большой части своей энергии в виде энергетического нейтронного излучения. Это контрастирует со стандартным термоядерным оружием, которое предназначено для улавливания интенсивного нейтронного излучения с целью увеличения его общей взрывной мощности. С точки зрения мощности, ВПВ обычно производят примерно одну десятую мощности атомного оружия расщепляющегося типа. Даже несмотря на значительно меньшую взрывную мощность, ВПВ по-прежнему способны нанести гораздо больший ущерб, чем любая обычная бомба. Между тем, по сравнению с другим ядерным оружием, ущерб в большей степени сосредоточен на биологическом материале, чем на материальной инфраструктуре (хотя экстремальные взрывные и тепловые эффекты не устраняются).

ВПВ более точно можно описать как оружие с подавленной мощностью. Когда мощность ядерного оружия составляет менее одной килотонны, его смертельный радиус от взрыва составляет 700 м (2300 футов), что меньше, чем от нейтронного излучения. Однако мощность взрыва более чем достаточна, чтобы разрушить большинство построек, которые менее устойчивы к воздействию взрыва, чем даже незащищенные люди. При взрывном давлении более 20 фунтов на квадратный дюйм можно выжить, тогда как большинство зданий рухнет при давлении всего 5 фунтов на квадратный дюйм.

Эти бомбы (как упоминалось выше), которые обычно ошибочно воспринимаются как оружие, предназначенное для уничтожения населения и сохранения инфраструктуры нетронутой, все же вполне способны сравнять с землей здания на большом радиусе. Целью их конструкции было уничтожение танкистов — танки обеспечивали превосходную защиту от взрыва и тепла и выживали (относительно) очень близко к детонации. Учитывая огромные танковые силы Советского Союза во время Холодной войны, это было идеальное оружие для противодействия им. Нейтронное излучение могло мгновенно вывести из строя экипаж танка примерно на такое же расстояние, на котором жара и взрывная волна вывели из строя незащищенного человека (в зависимости от конструкции). Шасси танка также станет высокорадиоактивным, что временно предотвратит его повторное использование новым экипажем.

Однако нейтронное оружие предназначалось и для использования в других целях. Например, они эффективны в противоядерной защите — поток нейтронов способен нейтрализовать приближающуюся боеголовку на большей дальности, чем тепловая или взрывная волна. Ядерные боеголовки очень устойчивы к физическим повреждениям, но их очень трудно укрепить против экстремального потока нейтронов.

Распределение энергии оружия

	Стандартный	Улучшенный
Взрыв	50%	40%
Тепловая энергия	35%	25%
Мгновенное излучение	5%	30%
Остаточная радиация	10%	5%

ВПВ представляли собой двухступенчатые термоядерные заряды, из которых был удален весь несущественный уран, чтобы минимизировать выход ядерного деления. Термоядерный синтез дал нейтроны. Разработанные в 1950-х годах, они были впервые развернуты в 1970-х годах силами США в Европе. Последние вышли на пенсию в 1990-х годах.

Нейтронная бомба возможна только в том случае, если мощность достаточно высока, чтобы было возможно эффективное воспламенение на стадии термоядерного синтеза, и если мощность достаточно мала, чтобы толщина корпуса не поглощала слишком много нейтронов. Это означает, что нейтронные бомбы имеют мощность в диапазоне 1–10 килотонн, при этом доля деления варьируется от 50% при мощности 1 килотонны до 25% при мощности 10 килотонн (все это происходит на первичной ступени). Выход нейтронов на килотонну тогда в 10–15 раз выше, чем у оружия имплозии чистого деления или у стратегической боеголовки, такой как W87 или W88 .

Лаборатории проектирования оружия

Все инновации в разработке ядерного оружия, обсуждаемые в этой статье, были созданы в следующих трех лабораториях описанным образом. Другие лаборатории по разработке ядерного оружия в других странах самостоятельно дублировали эти конструкторские инновации, реконструировали их на основе анализа радиоактивных осадков или приобретали путем шпионажа.

Лоуренс Беркли

Основная статья: Национальная лаборатория Лоуренса Беркли

Первое систематическое исследование концепций конструкции ядерного оружия состоялось в середине 1942 года в Калифорнийском университете в Беркли . Важные ранние открытия были сделаны в соседней лаборатории Лоуренса в Беркли , такие как производство и выделение плутония на циклотроне в 1940 году. Профессор из Беркли Дж. Роберт Оппенгеймер только что был нанят для руководства разработкой секретной национальной бомбы. Его первым действием стал созыв летней конференции 1942 года.

К тому времени, когда весной 1943 года он перенес свою деятельность в новый секретный город Лос-Аламос, штат Нью-Мексико, накопленная мудрость в области разработки ядерного оружия состояла из пяти лекций профессора Беркли Роберта Сербера , расшифрованных и распространенных как (секретные, но теперь полностью рассекречен и широко доступен в Интернете в формате PDF) Los Alamos Primer . В «Букваре» обсуждались энергия деления, нейтронов производство и захват , цепные ядерные реакции , критическая масса , тамперы, преддетонация и три метода сборки бомбы: сборка пушки, имплозия и «автокаталитические методы» — единственный подход, который оказался тупик.

Лос-Аламос

Основная статья: Национальная лаборатория Лос-Аламоса

обнаружил В апреле 1944 года в Лос-Аламосе Эмилио Сегре , что предложенная бомба типа Thin Man Gun в сборе не будет работать с плутонием из-за проблем с преддетонацией, вызванных примесями Pu-240 . Поэтому «Толстяку», бомбе имплозивного типа, был отдан высокий приоритет как единственный вариант использования плутония. Дискуссии в Беркли позволили получить теоретические оценки критической массы, но ничего конкретного. Основной работой военного времени в Лос-Аламосе было экспериментальное определение критической массы, для чего приходилось ждать, пока с производственных предприятий не прибудет достаточное количество расщепляющегося материала: урана из Ок-Риджа, штат Теннесси , и плутония с Хэнфордского полигона в Вашингтоне.

В 1945 году, используя результаты экспериментов с критической массой, техники Лос-Аламоса изготовили и собрали компоненты для четырёх бомб: « Тринити Гаджет» , «Маленький мальчик», «Толстяк» и неиспользованный запасной «Толстяк». После войны те, кто мог, включая Оппенгеймера, вернулись на преподавательские должности в университетах. Те, кто остался, работали над левитирующими и полыми ямами и проводили испытания на воздействие оружия, такие как Crossroads Able и Baker на атолле Бикини в 1946 году.

Все основные идеи по включению термоядерного синтеза в ядерное оружие возникли в Лос-Аламосе между 1946 и 1952 годами. После прорыва в области радиационной имплозии Теллера-Улама в 1951 году технические последствия и возможности были полностью изучены, но идеи, не имеющие прямого отношения к созданию максимально возможного ядерного оружия, были полностью изучены. бомбы для дальних бомбардировщиков ВВС были отложены.

Из-за первоначальной позиции Оппенгеймера в дебатах по водородной бомбе, противодействия большому термоядерному оружию и предположения, что он все еще имел влияние на Лос-Аламос, несмотря на его отъезд, политические союзники Эдварда Теллера решили, что ему нужна собственная лаборатория, чтобы преследовать Х. -бомбы. К моменту открытия в 1952 году в Ливерморе , штат Калифорния, Лос-Аламос уже завершил работу, для которой Ливермор был предназначен.

Лоуренс Ливермор

Основная статья: Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса

Поскольку первоначальная миссия больше не была доступна, Ливерморская лаборатория попробовала радикально новые разработки, но они потерпели неудачу. Первые три ядерных испытания оказались неудачными : в 1953 году — два одноступенчатых устройства деления с ямками из гидрида урана , а в 1954 году — двухступенчатое термоядерное устройство, в котором вторичная обмотка нагрелась преждевременно, слишком быстро, чтобы радиационная имплозия могла сработать должным образом.

Переключив передачу, Ливермор решил взять идеи, которые Лос-Аламос отложил, и развить их для армии и флота. Это побудило Ливермора специализироваться на тактическом оружии малого диаметра, особенно на оружиях с двухточечной имплозией, таких как «Лебедь». Тактическое оружие малого диаметра стало основным для вторичного малого диаметра. Примерно в 1960 году, когда гонка вооружений сверхдержав переросла в гонку баллистических ракет, ливерморские боеголовки были более полезными, чем большие и тяжелые боеголовки Лос-Аламоса. Лос-Аламосские боеголовки использовались на первых баллистических ракетах средней дальности , БРСД, но меньшие ливерморские боеголовки использовались на первых межконтинентальных баллистических ракетах , МБР и баллистических ракетах подводных лодок , БРПЛ, а также на первых системах разделяющейся боеголовки на такие ракеты.

В 1957 и 1958 годах обе лаборатории построили и испытали как можно больше проектов, ожидая, что запланированный на 1958 год запрет на испытания может стать постоянным. К моменту возобновления испытаний в 1961 году две лаборатории стали дубликатами друг друга, и проектные работы поручались больше из соображений рабочей нагрузки, чем из-за специализации лаборатории. Некоторые конструкции были проданы лошадьми. Например, боеголовка W38 для ракеты «Титан I» начиналась как ливерморский проект, была передана Лос-Аламосу, когда она стала боеголовкой ракеты «Атлас» , а в 1959 году была возвращена Ливермору в обмен на боеголовку W54 «Дэви Крокетт» , которая отправился из Ливермора в Лос-Аламос.

Конструкции боеголовок после 1960 года приняли характер модельных изменений: каждая новая ракета получала новую боеголовку по маркетинговым соображениям. Главное существенное изменение заключалось в упаковке большего количества делящегося урана-235 во вторичную обмотку, поскольку он стал доступен в результате продолжающегося обогащения урана и демонтажа больших мощных бомб.

Начиная с установки Nova в Ливерморе в середине 1980-х годов, деятельность по ядерному проектированию, связанная с радиационной имплозией, основывалась на исследованиях лазерного синтеза с непрямым приводом . Эта работа была частью усилий по исследованию термоядерного синтеза с инерционным удержанием . Аналогичная работа продолжается и в более мощном Национальном центре зажигания . Программа управления запасами также получила пользу от исследований, проведенных в NIF .

Взрывоопасные испытания

Ядерное оружие по большей части создается методом проб и ошибок. Испытания часто включают испытательный взрыв прототипа.

При ядерном взрыве большое количество дискретных событий с различной вероятностью объединяются в кратковременные хаотические потоки энергии внутри корпуса устройства. Для аппроксимации процессов необходимы сложные математические модели, а в 1950-х годах не было компьютеров, достаточно мощных, чтобы правильно их запускать. Даже сегодняшние компьютеры и программное обеспечение для моделирования недостаточны.

Спроектировать надежное оружие для склада было достаточно легко. Если бы прототип сработал, его можно было бы использовать в качестве оружия и производить серийно.

Гораздо труднее было понять, как это работало или почему это не удалось. Проектировщики собрали как можно больше данных во время взрыва, прежде чем устройство разрушилось само, и использовали эти данные для калибровки своих моделей, часто добавляя в уравнения неправильные коэффициенты , чтобы моделирование соответствовало экспериментальным результатам. Они также проанализировали обломки оружия в результате радиоактивных осадков, чтобы увидеть, насколько произошла потенциальная ядерная реакция.

Световые трубы

Важным инструментом для анализа тестов была диагностическая световая трубка. Зонд внутри испытательного устройства может передавать информацию, нагревая металлическую пластину до накаливания — событие, которое можно зарегистрировать приборами, расположенными на дальнем конце длинной, очень прямой трубы.

На рисунке ниже показано устройство «Креветка», взорванное 1 марта 1954 года в Бикини в ходе испытания «Касл Браво» . Взрыв мощностью 15 мегатонн стал крупнейшим за всю историю США. Силуэт мужчины показан в масштабе. Устройство поддерживается снизу, на концах. Трубы, идущие в потолок кабины, которые кажутся опорами, на самом деле являются диагностическими световодами. Восемь трубок на правом конце (1) передавали информацию о детонации первичной обмотки. Двое посередине (2) отмечали время, когда рентгеновские лучи от первичной обмотки достигли канала излучения вокруг вторичной обмотки. Последние две трубы (3) отмечали время, когда излучение достигало дальнего конца канала излучения, разница между (2) и (3) представляла собой время прохождения излучения по каналу.

Из кабины трубы повернули горизонтально и прошли 7500 футов (2,3 км) по дамбе, построенной на рифе Бикини, к бункеру для сбора данных с дистанционным управлением на острове Наму.

Хотя рентгеновские лучи обычно распространяются со скоростью света через материал низкой плотности, такой как наполнитель канала из пенопласта между (2) и (3), интенсивность излучения от взрывающейся первичной обмотки создает относительно непрозрачный фронт излучения в канале. наполнитель, который действует как медленно движущаяся бревна, замедляя прохождение лучистой энергии . Пока вторичная обмотка сжимается посредством радиационно-индуцированной абляции, нейтроны первичной обмотки догоняют рентгеновские лучи, проникают во вторичную обмотку и начинают воспроизводить тритий посредством третьей реакции, отмеченной в первом разделе выше. Эта реакция Li-6 + n является экзотермической, производя 5 МэВ за событие. Свеча зажигания еще не сжималась и, следовательно, остается подкритической, поэтому в результате не происходит существенного деления или синтеза. Однако если до завершения имплозии вторичной обмотки прибудет достаточное количество нейтронов, решающая разница температур между внешней и внутренней частями вторичной обмотки может ухудшиться, что потенциально может привести к тому, что вторичная обмотка не сможет воспламениться. Первое термоядерное оружие, разработанное Ливермором, устройство Моргенштерна, потерпело неудачу во время испытаний. Замок Кун , 7 апреля 1954 года. Первичная обмотка загорелась, но вторичная обмотка, предварительно нагретая нейтронной волной первичной обмотки, подверглась так называемой неэффективной детонации ; таким образом, оружие с прогнозируемой мощностью в одну мегатонну произвело всего 110 килотонн, из которых лишь 10 килотонн пришлось на термоядерный синтез.

Эти временные эффекты и любые проблемы, которые они вызывают, измеряются с помощью данных световой трубки. Математические модели, которые они калибруют, называются кодами гидродинамики радиационных потоков или канальными кодами. Они используются для прогнозирования эффекта будущих модификаций конструкции.

Из общедоступных источников неясно, насколько успешными были световые трубы Shrimp. Беспилотный информационный бункер находился достаточно далеко позади, чтобы оставаться за пределами кратера шириной в милю, но взрыв мощностью 15 мегатонн, в два с половиной раза более мощный, чем ожидалось, прорвал бункер, сорвав его 20-тонную дверь с петель и поперек внутри бункера. (Ближайшие люди находились в 20 милях (32 км) дальше, в бункере, который уцелел.)

Анализ последствий

Смотрите также: Ядерная судебная экспертиза

Самые интересные данные из Замка Браво были получены в результате радиохимического анализа обломков оружия в результате радиоактивных осадков. Из-за нехватки обогащенного лития-6 60% лития во вторичной обмотке Shrimp составлял обычный литий-7, который не так легко размножает тритий, как литий-6. Но он порождает литий-6 как продукт реакции (n, 2n) (один нейтрон входит, два нейтрона выходят) – известный факт, но с неизвестной вероятностью. Вероятность оказалась высокой.

Анализ радиоактивных осадков показал разработчикам, что благодаря реакции (n, 2n) вторичная обмотка Shrimp фактически содержала в два с половиной раза больше лития-6, чем ожидалось. Тритий, выход термоядерного синтеза, нейтронов и выход деления были соответственно увеличены.

Как отмечалось выше, анализ радиоактивных осадков, проведенный Браво, также впервые показал внешнему миру, что термоядерные бомбы представляют собой скорее устройства деления, чем устройства синтеза. Японское рыболовное судно «Дайго Фукурю Мару » отплыло домой с достаточным количеством радиоактивных осадков на палубе, чтобы позволить ученым в Японии и других странах определить и объявить, что большая часть радиоактивных осадков возникла в результате деления U-238 с помощью термоядерного синтеза с энергией 14 МэВ. нейтроны.

Подземные испытания

Основная статья: Подземные испытания ядерного оружия

Кратеры оседания на испытательном полигоне Юкка-Флэт, штат Невада.

Глобальная тревога по поводу радиоактивных осадков, начавшаяся с события в замке Браво, в конечном итоге привела к тому, что ядерные испытания оказались буквально под землей. Последнее наземное испытание США состоялось на острове Джонстон 4 ноября 1962 года. В течение следующих трех десятилетий, до 23 сентября 1992 года, Соединенные Штаты проводили в среднем 2,4 подземных ядерных взрыва в месяц, причем все, за исключением нескольких, на Невадский испытательный полигон (НТС) к северо-западу от Лас-Вегаса.

Участок Юкка-Флэт на НТС покрыт кратерами проседания, образовавшимися в результате обрушения местности над радиоактивными кавернами, образовавшимися в результате ядерных взрывов (см. фото).

После Договора о пороговом запрещении ядерных испытаний (TTBT) 1974 года, который ограничивал подземные взрывы до 150 килотонн или меньше, боеголовки, подобные полумегатонной W88, приходилось испытывать при мощности ниже полной. Поскольку первичная обмотка должна быть взорвана на полную мощность, чтобы получить данные о взрыве вторичной обмотки, снижение мощности должно было произойти из-за вторичной обмотки. Замена большей части термоядерного топлива из дейтерида лития-6 гидридом лития-7 ограничила количество трития, доступного для синтеза, и, следовательно, общий выход, не изменив динамику взрыва. Функционирование устройства можно было оценить с помощью световодов, других сенсорных устройств и анализа застрявших обломков оружия. Полную мощность накопленного оружия можно было рассчитать путем экстраполяции.

Производственные мощности

Когда в начале 1950-х годов двухступенчатое оружие стало стандартом, конструкция оружия определила планировку новых, широко рассредоточенных производственных мощностей в США, и наоборот.

Поскольку первичные обмотки имеют тенденцию быть громоздкими, особенно в диаметре, плутоний является предпочтительным делящимся материалом для ям с бериллиевыми отражателями. Он имеет меньшую критическую массу, чем уран. Завод в Роки-Флэтс недалеко от Боулдера, штат Колорадо, был построен в 1952 году для карьерного производства и впоследствии стал предприятием по производству плутония и бериллия.

Завод Y-12 в Ок-Ридже , штат Теннесси , где масс-спектрометры, называемые калютронами, обогащали уран для Манхэттенского проекта , был перепрофилирован для производства вторичных уранов. Делящийся U-235 является лучшими свечами зажигания, потому что его критическая масса больше, особенно в цилиндрической форме первых термоядерных вторичных вторичных компонентов. В ранних экспериментах использовались два делящихся материала в комбинации: композитные ямы зажигания Pu-Oy и свечи зажигания, но для массового производства было проще позволить заводам специализироваться: плутониевые ямы в первичных обмотках, урановые свечи зажигания и толкатели во вторичных.

Y-12 производил термоядерное топливо из дейтерида лития-6 и детали U-238, два других ингредиента вторичного сырья.

На территории Хэнфорда недалеко от Ричленда, штат Вашингтон, во время Второй мировой войны и холодной войны эксплуатировались ядерные реакторы и установки для разделения плутония. Здесь были построены и эксплуатировались девять реакторов по производству плутония. Первым из них был реактор B, который начал работу в сентябре 1944 года, а последним был реактор N, прекративший работу в январе 1987 года.

На объекте Саванна-Ривер в Эйкене , Южная Каролина , также построенном в 1952 году, работали ядерные реакторы , которые конвертировали U-238 в Pu-239 для ям и конвертировали литий-6 (произведенный на Y-12) в тритий для ракетного газа. Поскольку его реакторы были замедлены тяжелой водой и оксидом дейтерия, он также производил дейтерий для газа-носителя и Y-12 для использования в производстве дейтерида лития-6.

Безопасность конструкции боеголовки

Поскольку даже ядерные боеголовки малой мощности обладают поразительной разрушительной силой, разработчики оружия всегда осознавали необходимость включения механизмов и связанных с ними процедур, предназначенных для предотвращения случайного взрыва.

Схема предохранительного устройства стального шара боеголовки Green Grass : слева — заполненное (безопасное) и справа — пустое (работающее). Перед полетом стальные шарики опорожнялись в бункер под самолетом, и их можно было снова вставить с помощью воронки, повернув бомбу на тележке и подняв бункер.

пистолетного типа

По своей сути опасно иметь оружие, содержащее такое количество и форму делящегося материала, которая может образовать критическую массу в результате относительно простой аварии. Из-за этой опасности топливо в «Маленьком мальчике» (четыре мешка с кордитом ) было заложено в бомбу в полете, вскоре после взлета 6 августа 1945 года. Это был первый случай, когда ядерное оружие пушечного типа было полностью собрано.

Если оружие упадет в воду, сдерживающий эффект воды аварию, связанную также может вызвать с критичностью , даже без физического повреждения оружия. Точно так же пожар, вызванный крушением самолета, может легко воспламенить топливо, что приведет к катастрофическим последствиям. Оружие огнестрельного типа всегда было по своей сути небезопасным.

Установка ямы в полете

Ни один из этих эффектов невозможен при использовании имплозивного оружия, поскольку обычно делящегося материала недостаточно для образования критической массы без правильного взрыва линз. Однако самое раннее имплозионное оружие имело ямы, настолько близкие к критичности, что случайная детонация с некоторой ядерной мощностью вызывала беспокойство.

9 августа 1945 года «Толстяк» был погружен на самолет в полностью собранном виде, но позже, когда левитирующие ямы образовали пространство между ямой и тампером, стало возможным использовать установку ямы в полете. Бомбардировщик взлетал бы без расщепляющегося материала в бомбе. Эту систему использовали некоторые старые виды оружия имплозивного типа, такие как американские Mark 4 и Mark 5 .

Установка ямы в полете не будет работать, если полая яма находится в контакте с тампером.

Метод безопасности стального шарика

Как показано на схеме выше, в одном из методов снижения вероятности случайной детонации использовались металлические шарики . Шары опорожнялись в яму: это предотвращало детонацию за счет увеличения плотности полой ямы, тем самым предотвращая симметричный взрыв в случае аварии. Эта конструкция использовалась в оружии «Зеленая трава», также известном как «Промежуточное мегатонное оружие», которое использовалось в бомбах «Фиолетовая дубина» и «Желтое солнце» Mk.1 .

Цепной безопасный метод

В качестве альтернативы яму можно «обезопасить», заполнив ее обычно полую сердцевину инертным материалом, таким как тонкая металлическая цепочка, возможно, сделанная из кадмия для поглощения нейтронов. Пока цепь находится в центре ямы, яму невозможно сжать до формы, подходящей для деления; при постановке оружия на вооружение цепь снимается. Точно так же, хотя серьезный пожар может привести к детонации взрывчатки, разрушив яму и распространив плутоний, загрязняя окружающую среду, как это произошло в нескольких авариях с оружием , он не может вызвать ядерный взрыв.

Одноточечная безопасность

Хотя срабатывание одного детонатора из многих не приведет к тому, что полая яма станет критической, особенно полая яма малой массы, требующая наддува, внедрение двухточечных систем имплозии сделало эту возможность реальной проблемой.

В двухточечной системе, если сработает один детонатор, вся полусфера ямы взорвется, как и предполагалось. Фугасный заряд, окружающий другое полушарие, будет взрываться постепенно, от экватора к противоположному полюсу. В идеале это зажмет экватор и выдавит второе полушарие от первого, как зубную пасту в тюбике. К моменту, когда взрыв охватит его, его имплозия будет отделена во времени и пространстве от взрыва первого полушария. Полученная форма гантели, в которой каждый конец достигает максимальной плотности в разное время, может не стать критической.

Невозможно предсказать на чертежной доске, как это будет происходить. Невозможно также использовать макет ямы с U-238 и высокоскоростные рентгеновские камеры, хотя такие тесты полезны. Для окончательного определения необходимо провести испытание на реальном расщепляющемся материале. Следовательно, начиная с 1957 года, через год после Суона, обе лаборатории начали одноточечные испытания безопасности.

Из 25 одноточечных испытаний безопасности, проведенных в 1957 и 1958 годах, семь имели нулевую или небольшую ядерную мощность (успех), три имели высокие мощности от 300 до 500 тонн (серьезный отказ), а остальные имели неприемлемую мощность между этими крайностями.

Особое беспокойство вызывал Ливерморский W47 , показавший неприемлемо высокие результаты при одноточечном тестировании. Чтобы предотвратить случайную детонацию, Ливермор решил использовать на W47 механический предохранитель. Результатом стала описанная ниже схема защиты проводов.

Когда испытания возобновились в 1961 году и продолжались в течение трех десятилетий, было достаточно времени, чтобы сделать все конструкции боеголовок изначально одноточечными, без необходимости механического предохранения.

Метод безопасности проволоки

В ходе последнего испытания перед мораторием 1958 года боеголовка W47 для БРПЛ Polaris оказалась небезопасной по одной точке, производя неприемлемо высокую ядерную мощность - 200 кг (440 фунтов) в тротиловом эквиваленте (Hardtack II Titania). Поскольку действовал мораторий на испытания, не было возможности усовершенствовать конструкцию и сделать ее безопасной по одной точке. Было разработано решение, заключающееся в том, что проволока с покрытием из бора вставляется в полую яму оружия при изготовлении. Боевая часть активировалась путем натягивания проволоки на катушку, приводимую в движение электродвигателем. После извлечения провод нельзя было вставить повторно. Проволока имела тенденцию становиться хрупкой во время хранения, ломаться или застревать во время взведения, что мешало полному снятию и приводило к поломке боеголовки. Было подсчитано, что 50–75% боеголовок выйдут из строя. Это потребовало полной перестройки всех праймериз W47. Масло, используемое для смазки проволоки, также способствовало коррозии ямки.

Сильное звено/слабое звено

См. также: Сильное звено/слабое звено.

В рамках системы «сильное/слабое звено» между критически важными компонентами ядерного оружия создаются «слабые звенья» («жесткие звенья»). В случае аварии слабые звенья выходят из строя первыми таким образом, чтобы исключить передачу энергии между ними. Затем, если жесткое соединение выходит из строя таким образом, что передает или высвобождает энергию, энергия не может быть передана в другие системы вооружения, что потенциально может привести к ядерному взрыву. Жесткие звенья обычно представляют собой критически важные компоненты оружия, которые были усилены, чтобы выдерживать экстремальные условия, в то время как слабые звенья могут быть как компонентами, намеренно вставленными в систему, чтобы действовать как слабое звено, так и критическими ядерными компонентами, которые могут предсказуемо выйти из строя.

Примером слабого звена может служить электрический разъем, содержащий электрические провода, изготовленные из сплава с низкой температурой плавления. Во время пожара эти провода плавятся, разрывая любое электрическое соединение.

Ссылка на разрешительное действие

См. также: Ссылка на разрешительные действия.

Ссылка разрешительного действия — это устройство контроля доступа , предназначенное для предотвращения несанкционированного применения ядерного оружия. Ранние PAL представляли собой простые электромеханические переключатели, а затем превратились в сложные системы постановки на охрану, включающие встроенные возможности контроля мощности, устройства блокировки и устройства защиты от несанкционированного доступа.

Ссылки

Библиография

• Коэн, Сэм , Правда о нейтронной бомбе: изобретатель бомбы высказывается , Уильям Морроу и компания, 1983 г.
• Костер-Маллен, Джон, «Атомные бомбы: совершенно секретная внутренняя история маленького мальчика и толстяка», самостоятельное издание, 2011 г.
• Гласстоун, Сэмюэл и Долан, Филип Дж., редакторы, «Эффекты ядерного оружия» (третье издание). Архивировано 3 марта 2016 г. в Wayback Machine (PDF), типография правительства США, 1977 г.
• Грейс, С. Чарльз, Ядерное оружие: принципы, эффекты и живучесть (Land Warfare: New Battlefield Weapons Systems and Technology Брасси, том 10)
• Хансен, Чак , « Мечи Армагеддона: Разработка ядерного оружия США с 1945 года. Архивировано 30 декабря 2016 г. в Wayback Machine » (компакт-диск и доступен для скачивания). PDF. 2600 страниц, Саннивейл, Калифорния, Chucklea Publications, 1995, 2007 г. ISBN   978-0-9791915-0-3 (2-е изд.)
• Последствия ядерной войны. Архивировано 18 апреля 2015 г. в Wayback Machine , Управление оценки технологий (май 1979 г.).
• Роудс, Ричард. Создание атомной бомбы . Саймон и Шустер, Нью-Йорк (1986 г.). ISBN   978-0-684-81378-3 )
• Роудс, Ричард . Тёмное солнце: создание водородной бомбы . Саймон и Шустер, Нью-Йорк (1995 г.) ISBN   978-0-684-82414-7 )
• Смит, Генри ДеВольф , Атомная энергия для военных целей. Архивировано 21 апреля 2017 г. в Wayback Machine , Princeton University Press, 1945. (см.: Отчет Смита )

В эту статью включен текст из бесплатного контента . . Текст взят из FAQ по ядерному оружию: 1.6 , Carey Sublette, .

Внешние ссылки

• Архив ядерного оружия Кэри Сублетта является надежным источником информации и имеет ссылки на другие источники.
  • Часто задаваемые вопросы о ядерном оружии: раздел 4.0 Разработка и проектирование ядерного оружия
• Федерация американских ученых предоставляет достоверную информацию об оружии массового поражения, включая ядерное оружие , и его последствиях.
• Дополнительная информация о конструкции двухступенчатых термоядерных бомб.
• Список военно-критических технологий (MCTL), часть II (1998) (PDF) с сайта Министерства обороны США на веб-сайте Федерации американских ученых.
• «Решения по ограниченному рассекречиванию данных с 1946 года по настоящее время» , серия отчетов Министерства энергетики, опубликованная с 1994 года по январь 2001 года, в которой перечислены все известные действия по рассекречиванию и их даты. Организатор: Федерация американских ученых.
• «Бомба Холокоста: вопрос времени» представляет собой обновленную версию судебного дела США против The Progressive 1979 года со ссылками на подтверждающие документы по разработке ядерного оружия.
• Аннотированная библиография по конструкции ядерного оружия из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос.
• Проект международной истории ядерного распространения Центра Вудро Вильсона (NPIHP) представляет собой глобальную сеть отдельных лиц и учреждений, занимающихся изучением международной ядерной истории с помощью архивных документов, устных исторических интервью и других эмпирических источников.