Большая энциклопедия нефти и газа. На тему дня. Коротко и просто о ядерном оружии

Cтраница 1

Плутониевая бомба (см. рис. 2, б) содержит бериллие-вый источник нейтронов. Вокруг него расположена плутониевая сфера, а за ней - заряд обычного вещества. При подрыве детонатора под влиянием высокого давления газов плутониевая сфера сжимается, образуется критическая масса плутония и происходит взрыв. Радиолокатор п здесь служит для точного выдерживания высоты взрыва.  

Что ограничивает мощность урановых и плутониевых бомб.  

Речь идет о плутониевой бомбе имплозивного типа.  

Нет, Иосиф Виссарионович, это действительно плутониевая бомба, но поскольку плутоний ядовит, она сверху покрыта пленкой никеля для безопасности. И Вы можете проверить, что она теплая, поскольку в ней идут малоинтенсивные спонтанные ядерные реакции.  

Высокая температура, необходимая для начального возбуждения реакции, достигается при помощи обычной урановой или плутониевой бомбы, играющей ту же роль, что и капсула из гремучей ртути в обычном взрывателе. Взрыв водородной бомбы может достигнуть мощности 20 мегатонн тринитротолуола и, следовательно, в 1000 раз превосходит взрыв первой бомбы из 235U, сброшенной на Хиросиму и обладавшей мощностью 20 килотонн. До настоящего времени еще не найдены средства использования в мирных целях огромной энергии синтеза гелия из водорода.  

В массивной оболочке водородной бомбы заключены урановая или плутониевая бомба и вещества, превращающиеся при термоядерной реакции в гелий - тяжелый и сверхтяжелый изотопы водорода (дейтерий и тритий) в виде соединений с литием. Для того чтобы вызвать термоядерную реакцию в такой системе, сначала производят взрыв урановой или плутониевой бомбы. Это приводит к резкому повышению температуры, обеспечивающему возможность синтеза гелия.  

В печати описывается устройство первых атомных бомб США, кощунственно названных Малышом и Толстяком. Малыш был снаряжен ядерным горючим в виде урана-235 и сброшен на японский город Хиросиму. Толстяк представлял собой плутониевую бомбу, от нее не менее жестоко пострадал город Нагасаки.  

Были приготовлены еще две бомбы. Урановую бомбу Малыш (3 метра в длину, 60 сантиметров в ширину и весом 4 5 тонны) американцы сбросили на японский город Хиросиму 6 августа 1945 года; ее взрыв был зафиксирован самыми удаленными радарами. Несколько дней спустя плутониевая бомба Толстяк (3 5 х 1 5 метра, весом 5 тонн) была сброшена на Нагасаки.  

На реакции образования ядер гелия из ядер водорода основано действие водородной, или термоядерной, бомбы. В некоторых бомбах в качестве ядерного горючего используют тритий, в других - литий и дейтерий в виде дейтерида лития LiD. Высокая температура, необходимая для начального возбуждения реакции, достигается при помощи урановой или плутониевой бомбы, играющей роль взрывателя.  

Эта реакция протекает в течение 3 - Ю 6 сек и происходит с большим выделением энергии. Однако для ее начала необходима очень высокая температура. Такая температура развивается при взрыве атомной бомбы. Поэтому в водородной бомбе, содержащей смесь дейтерия и трития, в качестве детонатора служит атомная плутониевая бомба. При термоядерном взрыве водородной бомбы сначала фактически происходит взрыв атомной бомбы, а затем протекает термоядерная реакция.  

Открытие и изучение трансурановых элементов представляет собой одно из новейших и наиболее важных достижений химии. Благодаря этому человек может теперь создавать новые элементы. Примером такого рода новых элементов может служить плутоний - второй из открытых трансурановых элементов. Плутоний был открыт в период второй мировой войны, н тогда же были разработаны методы его производства. О его открытии мир узнал, когда плутониевая бомба была сброшена на Нагасаки. Сейчас этот элемент играет важную роль и с мирном использовании ядерной энергии для производства электрической энергии. Плутоний и другие трансурановые элементы могут быть использованы в качестве мощных источников энергии, сконцентрированной в малом объеме, для использования как в космосе, так и на Земле благодаря возможности преобразования энергии, высвобождающейся при их радиоактивном распаде.  

Страницы:      1

Урановая бомба

Принцип действия

В основу ядерного оружия положена неуправляемая цепная реакция деления ядра. Существуют две основные схемы: «пушечная», иначе называемая баллистической, и имплозивная.

«Пушечная» схема характерна для самых примитивных моделей ядерного оружия I-го поколения, а также артиллерийских и стрелковых ядерных боеприпасов, имеющих ограничения по калибру оружия. Суть её заключается в «выстреливании» навстречу друг другу двух блоков делящегося вещества докритической массы. Данный способ детонации возможен только в урановых боеприпасах, так как плутоний имеет более высокий нейтронный фон, что приводит к увеличению требующейся скорости соединения частей заряда, превышающий технически достижимые.

«Имплозивная» схема подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом обычной химической взрывчатки, которой для фокусировки придаётся весьма сложная форма и подрыв производится одновременно в нескольких точках с прецизионной точностью.

Мощность ядерного заряда , работающего исключительно на принципах деления тяжёлых элементов,ограничивается сотнями килотонн . Создать более мощный заряд, основанный только на делении ядер, возможно, но крайне затруднительно. Самый мощный в мире боеприпас, основанный только на делении ядер, был испытан в США 15 ноября 1952 года, мощность взрыва составила 500 кт .

Для того, чтобы реакция могла поддерживать сама себя, необходимо соответствующее «топливо», в качестве которого на первых этапах использовался изотоп урана.

Уран в природе встречается в виде двух изотопов - уран-235 и уран-238. При поглощении ураном-235 нейтрона в процессе распада выделяется от одного до трёх нейтронов:

Уран-238, напротив, при поглощении нейтронов умеренных энергий не выделяет новые, препятствуя ядерной реакции. Он превращается в уран-239, затем в нептуний-239, и наконец, в относительно стабильный плутоний-239.

Для обеспечения работоспособности ядерной бомбы содержание урана-235 в ядерном топливе должно быть не ниже 80 %, иначе уран-238 быстро погасит цепную ядерную реакцию. Природный же уран почти весь (около 99,3 %) состоит из урана-238. Поэтому при производстве ядерного топлива применяют сложный и многоступенчатый процесс обогащения урана, в результате которого доля урана-235 повышается.

Бомба на основе урана стала первым ядерным оружием, использованным человеком в боевых условиях (бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму). Из-за ряда недостатков (трудности получения, разработки и доставки) на данный момент не распространены, уступая более совершенным бомбам на основе других радиоактивных элементов с более низкой критической массой.

Первым ядерным зарядом, взорванным в испытательных целях, было ядерное устройство «Gadget», «Штуковина» (англ. gadget - приспособление, безделушка) - прототип плутониевой бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки. Испытания проводились на полигоне неподалеку от г. Аламогордо в штате Нью-Мексико.

Конструктивно эта бомба представляла собой несколько сфер, вложенных друг в друга:

1. Импульсный нейтронный инициатор (ИНИ, «ёжик», «урчин» (англ. urchin )) - шар диаметром порядка 2 см из бериллия, покрытый тонким слоем сплава иттрий-полоний или металлического полония-210 - первичный источник нейтронов для резкого снижения критической массы и ускорения начала реакции. Срабатывает в момент перевода боевого ядра в закритическое состояние (при сжатии происходит смешение полония и бериллия с выбросом большого количества нейтронов). В настоящее время короткоживущий полоний-210 заменён долгоживущим плутонием-238, также способным при смешении с бериллием к мощному нейтронному импульсу.
2. Плутоний. Желателен максимально чистый изотоп плутоний-239, хотя для увеличения стабильности физических свойств (плотности) и улучшения сжимаемости заряда плутоний легируется небольшим количеством галлия.
3. Оболочка (англ. tamper ), служащая отражателем нейтронов (из урана).
4. Обжимающая оболочка (англ. pusher ) из алюминия. Обеспечивает бо́льшую равномерность обжима ударной волной, в то же время предохраняя внутренние части заряда от непосредственного контакта со взрывчаткой и раскалёнными продуктами её разложения.
5. Взрывчатое вещество со сложной системой подрыва, обеспечивающей синхронность подрыва всего взрывчатого вещества. Синхронность необходима для создания строго сферической сжимающей (направленной внутрь шара) ударной волны. Несферическая волна приводит к выбросу материала шара через неоднородность и невозможность создания критической массы. Создание подобной системы расположения взрывчатки и подрыва являлось в своё время одной из наиболее трудных задач. Используется комбинированная схема (система линз) из «быстрой» и «медленной» взрывчаток - боратола и ТАТВ.
6. Корпус, изготовленный из дюралевых штампованных элементов - две сферических крышки и пояс, соединяемых болтами.

Боевой железнодорожный ракетный комплекс БЖРК 15П961 «Молодец» c межконтинентальной ядерной ракетой

Ракета РТ-23 УТТХ и ракетный комплекс в целом разработаны в <КБ> Южное в Днепропетровске, генеральный конструктор академик В.Ф.Уткин. Поезд и пусковая установка разработаны в КБСМ, Ленинград, главный конструктор академик А.Ф. Уткин. В 1987-1991 гг. построено 12 комплексов .

В состав БЖРК входят:

1.Три минимальных пусковых модуля

2.Командный модуль в составе 7 вагонов

3. Вагон-цистерна с запасами горюче-смазочных материалов

4.Три тепловоза ДМ62

Минимальный пусковой модуль включает в себя три вагона:

1. Пункт управления пусковой установкой 2.

2. Пусковая установка

3. 3. Агрегат обеспечения

Пусковая установка Вагон построен на Калининском заводе в 1986 г.

Головная часть ракеты разделяющегося типа индивидуального наведения с десятью боевыми блоками мощностью 0.43 Мт и комплексом средств преодоления ПРО.

В 1963 году, когда только четыре государства имели ядерные арсеналы, правительство Соединенных Штатов делало прогноз, что в течение предстоящего десятилетия появится от 15 до 25 государств, обладающих ядерным оружием; другие же государства предсказывали, что это число может даже возрасти до 50. По состоянию на 2004 год известно, что только у восьми государств есть ядерные арсеналы. Сильный режим нераспространения - его олицетворяют МАГАТЭ и Договор - помог резко замедлить предполагавшиеся темпы распространения.

Из доклада ООН, 2005 год

На тему дня. Коротко и просто о ядерном оружии

*****
****
ВНИМАНИЕ!
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ для лиц женского пола и несовершеннолетних обоего пола: все нижеизложенное написано с пошлым юмором и особым цинизмом!
******
******
Содержание:
Часть 2. Техническая. Описание устройства типовых ЯВУ (ядерных взрывных устройств)
Часть 3. К вопросу о боеспособности ядерного оружия

********
********
Часть 1. Введение в сущность вопроса
Атомная бомба состоит из нескольких докритических масс ядерного взрывчатого вещества (уран-235 или плутоний-239). Направленным взрывом все докритические массы соединяются вместе. Так образуется атомный заряд сверхкритической массы - происходит атомный взрыв. Это знают практически все. Рассмотрим устройство термоядерных (водородных) бомб. В основу таких боеприпасов положено образование (синтез) ядер атомов гелия из ядер изотопов водорода и лития. Вначале пытались в качестве исходных продуктов при термоядерных реакциях использовать изотопы водорода: дейтерий и тритий. Поэтому такие бомбы были названы водородными и сохраняют свое название до последнего времени. Наличие в корпусе бомбы установки для сжижения дейтерия и трития чрезвычайно утяжеляло конструкцию такой бомбы. Указывалось, что ее вес достигал 62 тонны, при весе активного вещества в 14 кг. Совершенно ясно: использование бомб с таким весом в качестве боевых термоядерных боеприпасов крайне затруднительно. Поэтому в качестве снаряжения для термоядерных бомб (боеголовок) современных типов используется дейтрид лития-6. Вес таких водородных боеприпасов позволет производить их доставку к цели баллистическими ракетами и самолетами-бомбардировщиками. Особенностью термоядерных боеприпасов всех калибров является наличие в них атомного заряда, взрыв которого должен создать высокую температуру, необходимую для протекания термоядерной реакции. Корпус термоядерных боеприпасов имеет значительно более прочную оболочку, чем атомные боеприпасы. Это обстоятельство также является причиной увеличения веса термоядерных бомб (боеприпасов). Коротко повторим: в основе водородной бомбы лежит атомный заряд, он своим взрывом позволяет начаться термоядерной реакции, термоядерная реакция идет с использованием в качестве термоядерного горючего – лития-6, значительно более прочный корпус позволяет повысить коэффициент боевого использования термоядерного заряда. Вес корпуса термоядерной бомбы является «мертвым» весом с точки зрения доставки бомбы к цели ракетами или самолетами. Стоимость доставки каждого килограмма веса значительна, особенно если доставка производится баллистическими ракетами или дальней авиацией.
Особенности устройства современных термоядерных боеголовок. Такие боеприпасы получили название водородно-урановых, урановых или трехфазных. В подобном боеприпасе вначале взрывается атомный заряд-детонатор (реакция деления урана или плутония - первая фаза). Затем под воздействием высоких температур начинается термоядерная реакция с выделением большого количества нейтронов (реакция синтеза – вторая фаза). Под действием нейтронов происходит расщепление ядер природного урана-238, из которого изготовлена оболочка (корпус) заряда (реакция деления – третья фаза). В этом случае мощность заряда может быть значительно увеличена по сравнению с обычным термоядерным боеприпасом, у которого отсутствует урановая оболочка. Необходимо отметить также, что увеличение мощности происходит за счет сравнительно дешевого вещества, каким является природный уран, состоящий на 99% из урана-238. Изготавливать подобную оболочку для атомных боеприпасов нерационально, энергия нейтронов при обычном ядерном взрыве недостаточна для деления ядер урана-238. В открытой литературе указывается, что при изготовлении заряда такой конструкции диаметром в 1 метр при толщине урановой оболочки около 5 сантиметров вес урана-238 составляет около 3000 килограмм. Считается, что если при взрыве прореагирует примерно 15% урана-238, т.е. около 500 кг, тротиловый эквивалент взрыва будет составлять около 10 мегатонн. Уран-238 очень тяжелый, твердый и тугоплавкий металл. Боеголовки с оболочкой из природного урана могли входить в атмосферу планеты на скорости около 24 тысяч километров в час, превращаясь в огненный шар от трения в плотном воздухе. Урановая оболочка позволяла боеголовке не сгореть при этом. Можно сделать дополнительный вывод, что уничтожение боеголовки с оболочкой из урана-238 обычным и даже мощным лазерным оружием будущего, весьма и весьма проблематично.
*******
*******
Часть 2. Техническая
Собственно существует два вида атомных бомб. Классическая, использующая цепную реакцию распада атомов. И более мощная водородная (термоядерная). Использование неуправляемого термоядерного синтеза, роднит водородную бомбу, с процессами, происходящими в недрах звёзд.
****
Рассмотрим классическую атомную бомбу.
Для начала надо иметь «оружейный» уран. Обогащение урана представляет процесс разделения изотопов урана с атомной массой 238 и 235. Для применения в оружии и атомных реакторах, подходит только уран-235, он составляет менее 1% от всего количества урана в земной коре.
Уран очень активно реагирует с окружающей средой. Поэтому он существует только в виде разнообразных оксидов урана. Для проведения процесса отделения, уран приводят во взаимодействие с мощной кислотой (обычно фтористоводородной), превращая его в газообразный вид.
После полученный газ помещается во вращающийся барабан (центрифугу) и раскручивается до скоростей, вызывающих перегрузку до нескольких тысяч G. Центрифуга при этом вращается с частотой до 2 тысяч оборотов в секунду и это накладывает на конструкцию особые требования по точности, легкости и сбалансированности. Уран-235 легче, чем уран-238 (18.9 против 19.3 г/см3), он легче перемещается под действием центробежных сил к краям центрифуги, вызывая повышенную концентрацию требуемого изотопа у края центрифуги.
Гексафторид урана с повышенной концентрацией изотопа с атомной массой 235, извлекается из центрифуги и подается в нее снова. Обычно предприятие по обогащению урана содержит до нескольких тысяч таких центрифуг, для получения сколько-нибудь приемлемой степени очистки и количества выходного материала. Обычно требуемая концентрация составляет всего 5%. Как только процесс завершается, уран приводится обратно в состояние металла с помощью реакции оксида с кальцием, образовывая чистый металл и фторид кальция. Теперь его можно использовать для атомных электростанций и изготовления оружия.
В качестве материала для атомной бомбы используют и плутоний. Оружейный плутоний менее требователен к концентрации делящегося материала, имеет в несколько раз меньшую критическую массу, и выделить его из отработанного топлива гораздо проще, чем выделить из руды или радиоактивных отходов 235U. Типичный реактор, эксплуатируемый на АЭС, производит сотни килограмм плутония ежегодно. Необходимое для бомбы количество плутония содержат всего две отработанные топливные сборки (таковыми они становятся примерно через год после загрузки в реактор). Получаемый из реактора плутоний представляет смесь чрезвычайно трудно разделяемых изотопов с атомными номерами с 238 по 241, часть из которых нестабильна и со временем распадается, выделяя излучение (в том числе тепло) и продукты распада (в том числе газы) которые портят изделие и делают его непригодным для использования. Отливки из чистого плутония растрескиваются. После непродолжительного хранения на воздухе металлический плутоний становится хрупким и токсичным, он легко возгорается, что затрудняет его механическую обработку. Для уменьшения этих эффектов плутоний легируют (например, галлием), а изделия из него покрывают слоем нетоксичного металла. Считается, что конструктивно бомба из плутония сложнее, чем из урана, и требует гораздо большей точности при изготовлении.
Основной принцип работы атомной бомбы прост, Достаточно соединить два (или более) куска «оружейного» урана, массы (размеры) которых порознь являются подкритическими (не способными инициировать цепную реакцию), но вместе составляют надкритическую массу (вызывают ядерный взрыв). Чтобы произошел ядерный взрыв, нужно очень быстро соединить оба этих куска. Для быстрого сближения кусков делящегося вещества с подкритическими массами можно использовать обычное взрывчатое вещество. Другой способ быстрого объединения подкритических масс связан с тем, что их располагают в непосредственной близости друг к другу, разделяя лишь тонким слоем вещества, сильно поглощающего нейтроны. Ядерный взрыв такой бомбы осуществляется (с помощью дистанционного управления) резким удалением поглотителя или вводом источника дополнительных нейтронов, чтобы действие поглотителя стало неэффективным.
Критическая масса - минимальная масса делящегося вещества, при которой в нём может происходить самоподдерживающаяся ядерная реакция деления. Если масса вещества ниже критической, то слишком много нейтронов, необходимых для реакции деления, теряется, и цепная реакция не идёт. При массе больше критической цепная реакция может лавинообразно ускоряться, что приводит к ядерному взрыву.
Критическая масса зависит от размеров и формы делящегося образца, так как они определяют утечку нейтронов из образца через его поверхность. Минимальную критическую массу имеет образец сферической формы, так как площадь его поверхности наименьшая. Критическая масса чистого металлического плутония-239 сферической формы 11 кг (диаметр такой сферы 10 см), урана-235 – 50 кг (диаметр сферы 17 см). Критическая масса также зависит от химического состава образца. Отражатели и замедлители нейтронов, окружающие делящееся вещество, могут существенно снизить критическую массу.
******
Технология ядерного оружия.
Уран и плутоний, применяемые в современных атомных зарядах, имеют высокую чистоту - больше чем 90% по легко делящимся изотопам. С уменьшением концентрации увеличивается критическая масса, а значит и потребное для взрыва количество материала (особенно такая зависимость выражена для 235U). С уменьшением концентрации становится конструктивно сложнее удержать делящийся материал необходимое время в пределах небольшого объема, чтобы ядерная реакция успела пройти до того, как высвобождаемая энергия разнесет все устройство в разные стороны. С другой стороны, высокая концентрация вовсе не обязательна, если не требуется высокой эффективности работы устройства.
На практике в атомных бомбах используют отражатель нейтронов (например, из бериллия или урана-238), что позволяет уменьшить критическую массу в несколько раз и добиться взрыва (мгновенной критичности) при относительно небольшой концентрации делящегося материала. Например, для достижения критической массы без отражателя нужно 50 кг металлического урана-235 (реально применяют двуокись урана, которой нужно еще в полтора раза больше), если же использовать отражатель из Be, то критическая масса снижается до 15 кг (это приблизительные цифры, так как многое зависит от конструкции бомбы). Примерно так же обстоит с оружейным плутонием и 233U. Как правило, внутрь устройства помещают ещё источник нейтронов (например, полоний) для того, чтобы надёжно спровоцировать цепную ядерную реакцию.
Для атомной бомбы две вышеупомянутые схемы считаются классическими. Тем не менее, вопреки распространённому в популярной литературе мнению, для достижения критических параметров чаще всего не соединяют вместе две или более докритические массы, а сжимают взрывом полую сферу из легко делящихся изотопов, достигая определённой плотности ядерной взрывчатки. В бомбе, разработанной в 70-е годы прошлого века специалистами ЮАР, предполагалось сжимать сплошной шар из пористого металлического урана, в поры которого были закачены дейтерий и тритий. Чем сильнее сжатие, тем больше плотность и тем меньше требуется делящегося материала для ядерного взрыва.
Для создания эффекта имплозии – т.н. "взрыва внутрь" - устройство либо окружают ещё одним толстостенным шаром, или же блоками, из специальной взрывчатки (содержащей гексоген). Каждый блок по конструкции похож на кумулятивный заряд, применяемый в гранатомётах, только в результате взрыва формируется не узкая струя а, наоборот, широкая, направленная к центру шара. Каждый блок имеет высокоточный быстрый электродетонатор (критрон). Взрыв ВВ должен обеспечить равномерную ударную волну, направленную к центру, и это является одной из основных трудностей при конструировании бомбы. В реальных устройствах используется ещё несколько слоёв ВВ и отражателя, позволяющих сформировать имплозивную ударную волну и препятствующих преждевременному разлёту делящихся материалов. После детонации блоков ВВ расположенный под ней слой отражателя устремляется к центру и толкает перед собой ядерную взрывчатку. В несколько раз возрастает её плотность и достигается мгновенная критичность (чему помогает расположенный в центре источник нейтронов). Первое реально взорванное ядерное устройство (16 июля 1945 г. в Аламогордо) было сделано именно по такой схеме.
Пушечная схема конструктивно проще и была реализована в первой атомной (урановой) бомбе, сброшенной на Хиросиму. В полом канале (в хиросимской бомбе это был кусок пушечного ствола), компактный снаряд из обогащённого легко делящимся изотопом урана разгоняется до скорости порядка 2 км/с и соединяется с другим куском такого же урана. Суммарная масса легко делящихся изотопов значительно превосходит критическую массу. Реакция начинается уже при сближении кусков, поэтому нужно успеть их соединить до того, когда выделившаяся энергия разрушит конструкцию. Даже при указанной скорости соединения ядерная реакция проходит очень неэффективно. В Хиросимской бомбе использовалось 64 кг урана, содержавшего порядка 90% изотопа 235U, из которых успело среагировать менее 1%. По некоторым данным, плутоний вообще нельзя использовать в пушечной схеме, или же его нужно разгонять в канале до значительно больших скоростей. Это связано с тем, что плутоний-239 гораздо легче достигает критичности и начинает делиться, когда части находятся относительно далеко друг от друга, в результате чего устройство разрушается до того, как возникнут условия для ядерного взрыва. Пушечная схема применяется там, где из-за ограниченных габаритов нельзя применить имплозивную (например, в снарядах и миномётных минах оперативно-тактического ядерного оружия).
Теория имплозии была разработана в начале 1940-х годов немецкими инженерами Готфридом Гудерлеем и Куртом Дибнером в Германии и независимо Клаусом Фуксом в США. Многие её аспекты, особенно касающиеся неустойчивости процесса, до сих пор остаются одним из ключевых атомных секретов. Как и в смежной области - аэродинамике - процесс создания эффективной схемы имплозии требует проведения большого количества натурных испытаний.
Кратко итоги. Для бомбы, сделанной по пушечной схеме, требуется большое количество высокоочищенного урана-235. Для имплозивной бомбы можно использовать не очень чистый уран-235 (теоретически это может быть всего 20% и даже 14%), но взрыв тогда потребует высокой степени сжатия, добиться которой чрезвычайно сложно. Несколько лучше выглядит плутоний (также требующий имплозии), но для его получения требуется ядерный реактор (или хотя бы отработанные топливные сборки).
******
Водородная бомба.
Это ядерное оружие большой разрушительной силы (порядка мегатонн в тротиловом эквиваленте), принцип действия которого основан на реакции термоядерного синтеза легких ядер. Источником энергии взрыва являются процессы, аналогичные процессам, протекающим на Солнце и других звездах.
Термоядерные реакции. В недрах Солнца содержится гигантское количество водорода, находящегося в состоянии сверхвысокого сжатия при температуре ок. 15 000 000 К. При столь высоких температуре и плотности плазмы ядра водорода испытывают постоянные столкновения друг с другом, часть из которых завершается их слиянием и в конечном счете образованием более тяжелых ядер гелия. Подобные реакции, носящие название термоядерного синтеза, сопровождаются выделением огромного количества энергии. Согласно законам физики, энерговыделение при термоядерном синтезе обусловлено тем, что при образовании более тяжелого ядра часть массы вошедших в его состав легких ядер превращается в колоссальное количество энергии. Именно поэтому Солнце, обладая гигантской массой, в процессе термоядерного синтеза ежедневно теряет ок. 100 млрд. т вещества и выделяет энергию, благодаря которой стала возможной жизнь на Земле.
Изотопы водорода. Атом водорода – простейший из всех существующих атомов. Он состоит из одного протона, являющегося его ядром, вокруг которого вращается единственный электрон. Тщательные исследования воды (H2O) показали, что в ней в ничтожном количестве присутствует «тяжелая» вода, содержащая «тяжелый изотоп» водорода – дейтерий (2H). Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона – нейтральной частицы, по массе близкой к протону.
Существует третий изотоп водорода – тритий, в ядре которого содержатся один протон и два нейтрона. Тритий нестабилен и претерпевает самопроизвольный радиоактивный распад, превращаясь в изотоп гелия. Следы трития обнаружены в атмосфере Земли, где он образуется в результате взаимодействия космических лучей с молекулами газов, входящих в состав воздуха. Тритий получают и искусственным путем в ядерном реакторе, облучая изотоп литий-6 потоком нейтронов.
Предварительный теоретический анализ показал, что термоядерный синтез легче всего осуществить в смеси дейтерия и трития. Приняв это за основу, ученые США в начале 1950 приступили к реализации проекта по созданию водородной бомбы (HB). Первые испытания модельного ядерного устройства были проведены на полигоне Эниветок весной 1951; но тогда термоядерный синтез был лишь частичным. Значительный успех был достигнут 1 ноября 1951 при испытании массивного ядерного устройства, мощность взрыва которого составила 4-8 Мт в тротиловом эквиваленте.
Первая водородная авиабомба была взорвана в СССР 12 августа 1953, а 1 марта 1954 на атолле Бикини американцы взорвали более мощную (примерно 15 Мт) авиабомбу. С тех пор обе державы проводили взрывы усовершенствованных образцов термоядерного оружия.
Взрыв сопровождаются выбросом большого количества радиоактивных веществ. Но поскольку в результате термоядерного синтеза образуется стабильный гелий, радиоактивность при взрыве чисто водородной бомбы должна быть не больше, чем у атомного детонатора термоядерной реакции. Однако часто прогнозируемые и реальные радиоактивные осадки значительно различались по количеству и составу.
Последовательность процессов, происходящих при взрыве водородной бомбы, можно представить следующим образом. Сначала взрывается находящийся внутри оболочки HБ заряд-инициатор термоядерной реакции (маломощная атомная бомба), в результате возникает нейтронная вспышка и создается высокая температура, необходимая для инициации термоядерного синтеза. Нейтроны бомбардируют вкладыш из дейтерида лития – соединения дейтерия с литием (используется изотоп лития с массовым числом 6). Литий-6 под действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Таким образом, атомный запал создает необходимые для синтеза материалы непосредственно в самой приведенной в действие бомбе.
Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все большее и большее количество водорода. При дальнейшем повышении температуры могла бы начаться реакция между ядрами дейтерия, характерная для чисто водородной бомбы. Все реакции протекают настолько быстро, что воспринимаются как мгновенные.
Деление, синтез, деление (супербомба). На самом деле в термоядерной бомбе описанная выше последовательность процессов заканчивается на стадии реакции дейтерия с тритием. Далее конструкторы предпочли использовать не синтез ядер, а их деление. В результате синтеза ядер дейтерия и трития образуются гелий и быстрые нейтроны, энергия которых достаточно велика, чтобы вызвать деление ядер урана-238 (основной изотоп урана, значительно более дешевый, чем уран-235, используемый в обычных атомных бомбах). Быстрые нейтроны расщепляют атомы урановой оболочки супербомбы. Деление одной тонны урана создает энергию, эквивалентную 18 Мт. Энергия идет не только на взрыв и выделение тепла. Каждое ядро урана расщепляется на два сильно радиоактивных «осколка». В число продуктов деления входят 36 различных химических элементов и почти 200 радиоактивных изотопов. Все это и составляет радиоактивные осадки, сопровождающие взрывы супербомб. Благодаря уникальной конструкции и описанному механизму действия оружие такого типа может быть сделано сколь угодно мощным. Оно гораздо дешевле атомных бомб той же мощности.
*****
Энергия взрыва имплозивной атомной бомбы усиливается детонацией расположенного в центральной области термоядерного заряда (в виде газа из дейтерия и трития). Вместе они, в свою очередь, детонируют основной термоядерный заряд из дейтрида лития, заключённый в толстостенный цилиндр или эллипсоид из металлического урана (238U) или вольфрама. Цилиндр с дейтридом лития имеет массивную крышку, отделяющую его от атомного заряда, а внутри его расположен полый стержень из легко делящегося изотопа урана или плутония. Из расположенного в верхней части источника в центр первой ступени (атомной бомбы) вводится поток нейтронов. Пространство вокруг цилиндра с дейтридом лития заполняется полимером. В первые наносекунды после детонации атомной бомбы возникшее излучение превращает всю эту конструкцию в многократно ионизированную плазму. Прежде, чем она успевает разлететься в разные стороны, происходит несколько последовательных процессов, занимающих в общей сложности порядка сотни наносекунд. Атомы полимера (водород и углерод) переизлучают энергию взрыва в мягкий рентген (как хольраум в лазерном термояде) и это излучение вызывает абляцию (унос вещества) поверхности цилиндра. Массивная крышка защищает дейтрид лития от излучения, идущего непосредственно от атомного взрыва. За счёт абляции (уноса вещества) массивного корпуса цилиндра (эллипсоида) возникает реактивная сила, сжимающая термоядерный заряд, уменьшая его объём в десятки раз. Проходящие через дейтрид лития нейтроны замедляются (литий работает как замедлитель) и, доходя до центрального стержня, провоцируют его взрыв, который ещё больше сжимает термоядерную взрывчатку. Плотность дейтрида лития возрастает тысячекратно и в нём начинается реакция термоядерного синтеза. Взрыв такой бомбы способен полностью разрушить город с населением в несколько миллионов человек.
Критической массы для термоядерной бомбы не существует, а самая большая из взорванных до сих пор - в 5 тысяч раз мощнее бомбы, сброшенной на Хиросиму. Всего в арсеналах разных стран накоплено сейчас более 50 тысяч водородных бомб, каждая из которых примерно в 20 раз мощнее первой атомной бомбы. Девять стран (США, РФ, КНР, Англия, Франция, Израиль, Индия, Пакистан, КНДР) владеют технологией изготовления ядерного оружия, и, по оценкам, еще восемь стран (Германия, Япония, Бразилия, ЮАР, Испания, Италия, Канада, Иран) близки к его производству. Причем ЮАР уже разработала, испытывала и имела 6 ЯВУ, но добровольно отказалась от ядерного оружия. Одним словом, сделать атомную бомбу сейчас - не проблема.
******
Приведённые выше описания бомб покажутся специалистам весьма условными и даже наивными. В промышленно изготовленных ядерных боеголовках реализованы близкие по смыслу, но, очевидно, иные конструктивные решения, полученные в результате многих лет очень дорогостоящих исследований и испытаний. Другими словами, не смотря на кажущуюся простоту принципов, изготовить относительно эффективное ядерное устройство можно лишь в результате масштабной опытно-конструкторской программы, которая будет длиться несколько лет и обойдётся в астрономическую сумму. Объём технической документации на готовое изделие можно измерять кубометрами и даже если допустить, что наиболее важную её часть удастся выкрасть (как это произошло с Манхэттенским проектом 1940-х годах), какой-нибудь экстремально богатой организации вроде наркокартеля или популярной религиозной секты не собрать под своим крылом несколько сотен специалистов и кучу специфического оборудования и материалов так, чтобы это вскоре не стало известно соответствующим компетентным органам.
*****
Изучим устройство трех атомных бомб.
Урановая атомная бомба Малыш. Урановый заряд в бомбе состоит из двух частей: мишени и снаряда. Снаряд диаметром 10 и длинной 16 сантиметров представляет собой набор из шести урановых колец. В нем содержится около 25.6 кг - 40% всего урана. Кольца в снаряде поддерживаются диском из карбида вольфрама и стальными пластинами и находятся внутри стального корпуса. Мишень имеет массу 38.46 кг и сделана в форме полого цилиндра диаметром 16 см и длиной 16 см. Конструктивно она выполнена в виде двух отдельных половинок. Мишень вмонтирована в корпус, служащий отражателем нейтронов. В принципе, использованное в бомбе количество урана дает критическую массу и без отражателя, однако его наличие, как и изготовление снаряда из более обогащенного урана (89% U-235) чем мишень(80% U-235), позволяет увеличить мощность заряда.
Плутониевая атомная бомба Толстяк. Ядро бомбы представляет собой набор вложенных друг в друга сфер. Здесь они перечисляются в порядке вложенности, приведены размеры для внешних радиусов сфер: * взрывчатая оболочка - 65 см, * поглотитель нейтронов - 23 см, * урановый корпус/отражатель нейтронов - 11.5 см, * плутониевое ядро - 4.5 см. Плутониевый заряд. Девятисантиметровая сфера, с полостью в центре размером 2.5 см для нейтронного инициатора. Данную форму заряда предложил Роберт Кристи (Robert Christy) для уменьшения ассиметрии и нестабильности при имплозии. Урановый корпус/отражатель нейтронов. Плутониевый заряд окружен корпусом из природного урана массой 120 кг и диаметром 23 см. Этот корпус образует семи сантиметровый слой вокруг плутония. Толщина урана обусловлена задачей сохранения нейтронов, так, слоя в несколько сантиметров достаточно для обеспечения торможения нейтронов. Более толстый корпус (превышающий по толщине 10 см) дополнительно обеспечивает значительное сохранение нейтронов для всей конструкции, однако, эффект "временного поглощения" присущий быстрым, экспоненциально развивающимся цепным реакциям уменьшает выгоды от использования более толстого отражателя.
Около 20% энергии бомбы выделяется за счет быстрого деления уранового корпуса. Ядро и корпус образуют вместе минимально подкритическую систему. Когда при помощи имплозионного взрыва происходит сжатие сборки до 2.5 раз по сравнению с обычной плотностью, ядро начинает содержать около четырех-пяти критических масс.
Взрывчатая оболочка и детонационная система. Взрывчатая оболочка представляет собой слой бризантного взрывчатого вещества. Ее толщина около 47 см, а масса по меньшей мере 2500 кг. Эта система содержит 32 взрывные линзы, 20 из которых шестиугольные, а 12 - пятиугольные. Линзы соединяются вместе по образцу футбольного мяча, образуя сферическую взрывчатую сборку, около 130 см диаметром. Каждая имеет 3 части: две из них сделаны из взрывчатого вещества (ВВ) с большой скоростью детонации, одна - с низкой. Самая крайняя часть быстродетонирующего ВВ имеет конусообразное углубление, заполненное ВВ с низкой скоростью детонации. Эти сопряженные части формируют действующую линзу, способную создавать круглую, растущую ударную волну, направленную в центр. Внутренняя сторона быстродетонирующего ВВ почти что покрывает алюминиевую сферу для усиления сходящегося удара.
Линзы изготавливались точным литьем, так что взрывчатка должна была быть расплавлена перед использованием. Основным быстродетонирующим ВВ была "композиция Б", смесь 60% гексагена (RDX) - очень быстродетонирующее, но плохо плавящееся бризантное ВВ, 39% тротила (TNT) - хорошо взрывающееся и легко плавящееся ВВ и 1% воска. "Медленным" ВВ был баратол - смесь тротила и нитрата бария (доля тола обычно 25-33%) с 1% воска в качестве связующего вещества. Состав и плотность линз точно контролировались и оставались неизменными. Линзовая система подгонялась с очень малым допуском, так что ее части соединялись друг с другом с точностью менее 1 мм, для избежания неоднородностей в ударной волне, но выравнивание поверхности линз было даже более важно, чем подгонка их друг к другу.
Для получения очень точной синхронизации детонаторов, у стандартных детонаторов отсутствовали комбинации первичных/вторичных ВВ и имелись электрически нагреваемые проводники. Эти проводники представляют собой отрезки тонкой проволоки, которые моментально испаряются от броска тока, полученного от мощного конденсатора. Происходит подрыв взрывчатого вещества детонатора. Разряд конденсаторной батареи и испарение проволоки у всех детонаторов может быть произведено практически одномоментно - разница составляет +/-10 наносекунд. Обратная сторона такой системы - необходимость в больших батареях, высоковольтном источнике питания и мощного банка конденсаторов (называемого X-Unit, около 200 кг весом), предназначенных для одновременного срабатывания 32 детонаторов. Готовая взрывчатая оболочка помещается в корпус из дюралюминия. Конструкция корпуса состояла из центрального пояса, собранного из 5 обработанных дюралевых отливок, и верхней и нижней полусфер, образующих законченную оболочку.
Конечная стадия сборки. Финальный проект бомбы предусматривает особую "крышку", через которую в конце закладываются делящиеся материалы. Заряд может быть изготовлен целиком, за исключением вставки плутония с инициатором. В целях безопастности, сборка завершается непосредственно перед практическим применением. Удаляется дюралевая полусфера вместе с одной из взрывных линз. Нейтронный инициатор устанавливается между плутониевыми полусферами и крепится внутри 40-килограмового уранового цилиндра и, затем, вся эта конструкция вкладывается внутрь уранового отражателя. Линза возвращается на свое место, к ней подключается детонатор, сверху прикручивается на свое место крышка.
Толстяк представлял серьезную опасность в плане доставки и хранения в готовом к использованию состоянии, правда, даже в самом наихудшем случае опасность была все же меньшая, чем у Малыша. Критическая масса ядра с урановым отражателем составляет 7.5 кг плутония для дельта-фазы, и только 5.5 кг для альфа-фазы. Любая случайная детонация взрывной оболочки может приводить к сжатию 6.2-килограмового ядра Толстяка в надкритическую альфа-фазу. Предполагаемая мощность взрыва от такого несанкционированного срабатывания заряда будет составлять от десятков тонн (грубо говоря на порядок больше, чем заряд взрывчатки в бомбе) до пары-другой сотен тонн тротилового эквивалента. Но главная опасность кроется от потока проникающей радиации во время взрыва. Гамма-лучи и нейтроны, могут стать причиной смерти или тяжелого заболевания намного дальше зоны распространения ударной волны. Так, небольшой ядерный взрыв в 20 тонн вызовет смертельную дозу облучения в 640 бэр на расстоянии 250 м.
Супер-бомба мощностью в 50 Мт. К разработке устройства супер-бомбы приступили 10 июля 1961, До этой серии максимальным зарядом, испытанным в СССР был 2.9-мегатонный. В 1961 году готовились к проверки устройства в 4, 10 и 12.5 Мт. Безусловно, наработки по конструированию сверхкрупных зарядов уже существовали, но учитывая рекордную мощность и кратчайшие сроки разработки, становится ясно, что была проделана колоссальная работа.
Устройство было закончено и испытано уже через 112 дней. Супер-бомбу требовалось взорвать как можно скорее. Разработка шла ускоренными темпами. На команду разработчиков оказывалось большое давление, усилившееся с публичным объявлением о предстоящем испытании и планами приурочить его к закрытию XXII съезда КПСС. Где-то в середине августа принимается решение по подрыву уменьшенного до мощности 50 Мт заряда, о предстоящем испытании сообщается США. Публичное заявление по поводу планирующегося супервзрыва сделано Хрущевым в речи посвященной возобновлению испытаний 1 сентября 1961 года (в тот же день произведено первое испытание из этой серии).
Для ускорения процесса велись приближенные и оценочные расчеты, шедшие одновременно со сборкой. Сборка происходила на железнодорожной платформе, на которой бомба и была доставлена к аэродрому. Но были и сомнения в работоспособности устройства. Возникли они в середине октября, когда бомба была почти завершена. Были проведены дополнительные расчеты и в конструкцию внесли изменения.. За 6 дней до испытания, 24 октября, вышел окончательный отчет с теоретическими выкладками и расчетами по конструкции бомбы. Теперь оставалось только ждать завершения ее постройки и результата теста.
Бомба была построена в РФЯЦ-ВНИИТФ (Челябинск-70) с ядерным зарядом, разработанным во ВНИИЭФ (Арзамас-16). Применение такой "супербомбы" с самолета-носителя потребовало создания высокоэффективной тормозной парашютной системы, и она была создана в НИИ парашютно-десантных средств по техническому заданию и при непосредственном участии ВНИИТФ. Размеры этой парашютной системы были необычными. Площадь основного купола парашюта составила 1600 кв. м, что позволяло самолету-носителю уйти на безопасное расстояние от места взрыва.
Бомба имела трехступенчатую схему, как и американская Mk-41, максимальная из разработанных в США, мощностью 25 Мт. Грубо говоря, обычный ядерный взрыв поджигает 1-й термоядерный заряд, которой, в свою очередь, активирует 2-й термоядерный заряд. На каждой ступени происходит "накачка" мощности от 10 до 100 раз. Корпуса капсул с термоядерным горючим могут быть сделаны из низкообогащенного урана, что приводит к дополнительному росту мощности (в данном случае вдвое). Данные примеры, показывают, всю сложность поставленных задач по производству атомного оружия.
Компьютерное моделирование. Быстрое развитие компьютеров, отчасти помогло отказаться от испытаний атомных бомб на полигонах. Сегодня ядерные взрывы удаётся моделировать только с помощью суперкомпьютеров, имеющихся в мире лишь у нескольких лабораторий, и это моделирование лишь частично в состоянии заменить натурные ядерные испытания.
Вероятно, этот путь приведёт к изготовлению «домашней» бомбы. Через какое-то время, какой-нибудь настольный PC с пиратской программой может оказаться в состоянии рассчитать относительно простую схему имплозии. Как только такая возможность возникнет теоретически, очевидно, найдётся хакер, который из любопытства или бравады выставит эту схему в интернете на всеобщее обозрение. Скорее всего, это будет целое интернет-сообщество, соревнующееся, чья схема проще и дешевле. И возможно, чья-то схема окажется гораздо проще в исполнении, чем те, которые применяются в современных конструкциях. Возможно также, что достаточно будет небольшого количества отработанного ядерного топлива, портативной химической лаборатории и обычной металлообрабатывающей мастерской, чтобы изготовить рассчитанную компьютером бомбу. Будущее покажет, вероятность такого сценария.
*********
*********
3. К вопросу о боеспособности ядерного оружия
****
Лахезис писал(а):
э, нет, Marauder. Россия этого делать не умеет. И никто пока в мире не умеет. Оружейный плутоний не разделяют. Придётся мне заняться вашим ликбезом, несмотря на присущий мне дурной тон. Готова прочесть вам небольшую внятную лекцию вводного курса по оружейному плутонию, чтобы вы имели верное представление и никогда больше не говорили, что Россия умеет разделять плутоний.
......
Оружейный аспект может складываться не только из плутония, но и из урана. Но для урана нужно как раз то разделение, которое вы приписали в отношении плутония. Потому что это разделение возможно, Marauder. Газодиффузионным способом с тысячекратными повторениями цикла. Почему возможно и почему так много циклов? Потому что уран оружейный – У-235 – имеет массовое различие с неоружейным изотопом У-238 на целых три нуклона: 238 – 235 = 3. Это достаточно много: 0.0127659, или, грубо, 1.28 %. Соответственно, на этот процент и даже меньше произойдёт разделение при одной прогонке через разделительную систему (не вдаваясь в её подробности) – возможности разделения таки успевают «поймать», «зацепить» это массовое отличие изотопов урана и сработать, хотя и слабо, но сработать. А для увеличения степени разделения это «слабо» повторяют 3-5 тысяч раз. В итоге разделённость накапливается, и мы получаем У-235. Попутно мы ещё раньше получаем и все более лёгкие изотопы: У-234, из которого можно сделать бомбу, У-233 и У-232, который дает с годами сильное загрязнение оружейного материала своим делением, и его тоже надо отделять от оружейного материала (а можно и денатурировать оружейный уран этим изотопом. Изготовляя денатурат, создают невозможность для производства бомбы террористами - за год радиоактивность такого материала из-за ощутимой (хотя очень малой) примеси У-232 возрастает в десятки раз, за два года - в сотню, и процесс продолжается далее - материал бомбы настолько меняет свои параметры, что становится неуправляемым, и происходит слишком раннее тепловое разрушение бомбы до активного взрыва, только на подходах к нему.) Ну и потом, У-233 по характерной сигнатуре излучения позволяет определять оружейный уран (в котором У-233 накапливается при получении У-235 – точно так же обогащается в том же технологическом процессе) хоть с самолёта, хоть со спутника теоретически.
-***
А вот плутоний разделить так нельзя. Почему? А потому что у него два изотопа, оружейный и неоружейный, отличаются лишь на один нуклон – их атомные массы соседние: оружейный 239 и неоружейный 240 (другие изотопы, Пл-238, Пл-241, Пл-242, Пл-243 и Пл-244 не рассматриваем в данном эссе). 1/239 = 0.0041841, или 0.42%. Такое различие промышленные «урановые методы» разделения уже «не зацепляют». Есть экспериментальные способы и разработки, такие как электромагнитная сепарация, газовая диффузия и центрифугование, лазерное испарение, но промышленно это не освоено ни в одной стране. Хотя освоят, возможно, достаточно скоро, лет через десять-двадцать.
Лахезис писал(а):
Теперь про подрыв. Уран можно взорвать, соединив куски докритической массы в один блок сверхкритической массы. И тогда произойдёт взрыв. Но вопрос в том, как именно осуществить соединение. Если сблизить два докритических куска У-235 на некоторое расстояние, то они начнут разогреваться от обмена друг с другом нейтронами и усилением от этого реакции распада и выделением энергии. Сблизим ещё сильнее – раскалятся докрасна. Потом добела. Потом расплавятся. Расплав, сближаясь краями, начнёт разогреваться далее и испаряться. Причём запасы энергии в куске урана таковы, что раскалённые добела куски можно погрузить в поток воды, мчащийся с ледника – они будут такие же ослепительно-раскаленные, и при дальнейшем сближении будут расплавляться, и никакой теплосъём или остужение не смогут предотвратить расплавление и испарение.
-***
Поэтому, как куски не сближай бытовыми способами, они до того, как соединиться, расплавят и испарят любое устройство, осуществляющее это сближение, и испарятся сами, разлетевшись, расширившись, удалившись друг от друга и тогда лишь остыв, потому что окажутся на возросшем взаимном удалении. Слепить же куски в один сверхкритический можно, только развив такие огромные скорости сближения, что рост плотности нейтронного потока не будет поспевать за сближением кусков. Это достигается при скоростях сближения порядка 2.5 км в секунду. Вот тогда они успеют влипнуть друг в друга прежде, чем разогреются от энерговыделения. И тогда последующее энерговыделение будет таким пиковым, что возникнет ядерный взрыв с грибом. Порохом до таких скоростей разогнать невозможно – малы размеры бомбы и путей разгона, это не ствол зенитки. Поэтому разгоняют взрывчаткой, комбинируя «медленную» и «быструю» взрывчатки, ибо сразу «быстрая» взрывчатка вызовет бризантное разрушение куска урана высоконапорной ударной волной. Но в итоге получают главное – обеспечивают скорость перевода системы в сверхкритическое состояние до того, как она разрушится тепловым образом из-за растущего тепловыделения при сближении. И схему такую называют «пушечной», потому что докритические куски «выстреливаются» навстречу друг другу, успевая соединиться в один сверхкритический кусок и после этого пиковым образом высвободить мощность атомного взрыва.

А вот с плутонием такая штука не проходит. Он гораздо более «реактивный», реагирует на сближение кусков куда быстрее. Это другой металл. Альфа-активность плутония, например, в двести тысяч раз выше урана-235. Плутоний компактной отливки всегда тёплый на ощупь, он имеет температуру 50-60 градусов от непрерывно идущей реакции. Сто грамм плутония выделяют примерно столько же тепла, сколько сто грамм человеческого тела за счёт метаболизма. Плутоний заманчив, поскольку его критическая масса может быть 5 кг, а не 50, как у урана. 5 кг плутония – это примерно размер куриного желтка. Кусок размером в яйцо даст взрыв в 20 килотонн. Но как его подорвать? При сближении он начнёт ускорять энерговыделение с такой скоростью, что никакая пушечная схема не поможет. Нужны скорости 10-12 и более км в сек. Никакая взрывчатка до таких скоростей никакой осколок разогнать неспособна. Разгон массы – затраты энергии, и чем выше скорость разгоняемой массы, тем больше в неё надо вложить энергии. А взрывные процессы скоротечны. Да и напора энергии того нет – химическая реакция имеет свои ограничения в этом смысле.
*****
Лахезис писал(а):
Но плутоний – удивительный металл во многих отношениях. В том числе и в отношении металлургии плутония. Он имеет, например, шесть (а смотря как считать и семь) разных фазовых состояний – более, чем любой другой химический элемент. В некоторых своих фазовых формах он при нагревании сжимается, а не расширяется, как все нормальные металлы и вещества. При переходе из одной фазы в другую он может менять аномально плотность - на 25% ! Причем при трёхстах градусах он находится в легкой дельта-фазе, а с понижением температуры оседает в плотную альфа-фазу с этим самым увеличение плотности на 25%. Дельта-фаза нестабильна и возвращается в альфа-фазу при комнатной температуре и атмосферном давлении, но если добавить в плутоний чуточку галлия, процента три, стабилизировав его, то дельта-фаза будет метастабильна – останется таковой уже и при комнатной температуре. А вот если её обжать давлением 1 килобар, то он сожмётся в плотную альфа-фазу с ростом плотности.
......
Вот отсюда и начали подбираться к его взрыву. Если кусок плутония поместить в сильное нейтронное поле, в плотнейший импульс нейтронов, чтобы до критических условий оставалось немного, а потом увеличить плотность на 25% так, чтобы эти критические условия были пройдены и наступили условия сверхкритические, то цепная ядерная реакция запустится и кусок взорвётся. Нужно два фактора: создать мощное нейтронное поле исходного куска и затем в этом плотном нейтронном поле обжать его для перевода в сверхкритику. Чем? Взрывом взрывчатки со всех сторон куска! Если взять очень мощную взрывчатку, то скорость её ударной волны будет (а тем более в металле) порядка 5-6 км/сек с каждой стороны куска. С обоих сторон сложить – будет 10-12 км в сек. А взрывное давление в этой ударной волне, проходя по куску, обожмёт его в плотную альфа-фазу. Причем скорость 5-6 км/сек будет реальной – мы ведь не разгоняем массу, это скорость не тела, а ударной волны! Скорость звука в рельсе от удара молотком тоже несколько км/сек.
-***
Вот оно, решение, ключ к подрыву плутония: надо организовать точный и быстрый подрыв взрывчатки со всех сторон куска плутония в исходной «лёгкой» фазе, который очень быстро переведёт плутоний из лёгкой кристаллической фазы в плотную, и погрузить его одновременно в очень плотное нейтронное поле. Это поле создаётся специальным устройством, или компонентом бомбы, так называемым ИНИ, импульсным нейтронным инициатором. Он, не вдаваясь в детали его работы, при (управляемом) срабатывании даёт пиковый выброс нейтронов и нейтронный поток высокой плотности. В этот момент со многих точек (не менее 32, но чем больше, тем лучше) строго одновременно, с управлением на микросекундном уровне, то честь с точностью одна миллионная секунды, даётся подрыв слоя взрывчатки вокруг плутония. Возникает направленный внутрь сферический взрыв – имплозия (имплозия может быть, вообще говоря, и цилиндрической, как в схеме водородной бомбы Улама-Теллера. Главное – это взрыв, направленный внутрь и обжимающий объект). При этом она должна быть очень точной – при малейших перекосах и неравномерностях ударной волны ядро из плутония будет раздроблено в пыль бризантным действием. И только при совершенно симметричном, со всех сторон, нажатием ударной волной плутониевому ядру некуда будет дробиться, все потенциальные осколки, наоборот, будут сжиматься к центру – плутоний без разрушения перейдёт в плотную альфа-фазу. Поэтому имплозия должна быть очень высокого качества – прежде всего по скорости и равномерности, ну и по стабильному давлению во фронте волны. Качество имплозии – ключ к подрыву.
Лахезис писал(а):
И вот тут, поняв путь подрыва плутония, мы возвращаемся к вопросу – какой плутоний подрывать?
-***
Изотопов плутония в реакторе в итоге образуется главным образом два: Пл-239 и Пл-240. Для оружия годится первый, Пл-239: он более «реактивный», его нужно меньше для подрыва. Второе – у него не такая высокая спонтанная активность, как у соседа по атомной массе – Пл-240. Чем плоха спонтанная активность? Тем, что материал бомбы будет меняться за счёт распадов и облучения рождающимися нейтронами. Но главное, что более «светящийся» нейтронами материал раньше положенного даст выделение энергии (за счёт добавочного вклада «спонтанных» нейтронов и порождающейся остаточной активности), и имплозия не успеет, ведь она рассчитана на определённый материал. И присутствие нейтронов в то время, когда еще только достигается надкритическая масса, ведет к преждевременной ядерной реакции, недостаточному выходу энергии и в некоторых случаях вообще к отказу оружия, легкому "хлопку". А ведь задача взрыва – выделить мощность, написанную не этикетке бомбы. И главный источник такого нейтронного фона - присутствие изотопа Пл-240, чей уровень спонтанного деления достаточен для появления 106 нейтронов/с*кг. Поэтому бомба с таким нейтронным фоном неуправляема, или для её гарантированного взрыва требуется настолько высокое качество имплозии, что достичь этого качества невозможно пока точно так же, как невозможно пока практически достичь скоростей 10-12 км в сек в пушечном заряде.
-***
Расчёты и практика показывают, что Пл-239, содержащий порядка 5% Пл-240, можно взорвать имплозионной схемой. И такой плутоний называют оружейным, или оружейного качества. А вот при содержании Пл-240 более 5-6% (6% требуют предельно высокого качества имплозии) взорвать его уже не получается. В реакторах же, созданных для выработки электроэнергии, плутоний-239 получается с содержанием Пл-240 порядка 20-30-40%. Поэтому такой плутоний называют реакторным, или плутонием реакторного качества. И взорвать его практически не получается. Остаётся простой вопрос: как же получить оружейный плутоний, коли его разделить или сепарировать невозможно пока (см.начало)? Ответ тоже неказистый – на сегодняшний день его можно только наработать в специальном оружейном реакторе.
........
Ну? плутоний-то взорвать, оказывается, непросто. Я не затрагивала никогда вопросы управления зарядом и его автоматику. Состояния заряда, последовательность взрывных команд, алгоритмы защиты, и их принципы. Может, пришло время. Но, наверное, пока рано.
****
Лахезис, в продолжение плутониевой темы.
Нераскрытым остался вопрос гарантийных сроков хранения зарядов.
Что ограничивает этот срок и какой он для каких либо конкретных типов.
С надеждой.
Лахезис писал(а):
Это обширная тема, Netlog.)) Тем более что значит "гарантийных сроков хранения"? В разобранном виде? Гарантийный срок эксплуатации ядерного заряда? Вообще гарантийный срок обычно подразумевают эксплуатации, потому что произвести ядерный заряд, чтобы просто штатно хранить его вместо эксплуатации. При этом под гарантийным сроком эксплуатации понимают такой срок, в течение которого заряд сохраняет способность взорваться с практическим выделением мощности, написанной на его этикетке. При эксплуатации важнейшими с точки зрения влияния на гарантийные сроки (но не единственными) являются две вещи: условия эксплуатации и регламентное обслуживание. Обе этих составляющих связаны с изменением свойств материалов заряда, прежде всего радиоактивных. Условия эксплуатации определяют изменения состояния заряда по мере эксплуатации. Понятно, что в зависимости от состава боевого делящегося материала (а есть там и небоевые делящиеся материалы, и их изменения тоже влияют на подрыв бомбы и выделяемую мщность - об этом ниже) в плутониевом (урановом) элементе будут происходить ядерные реакции от самопроизвольного распада содержащихся изотопов - например, Плутония-240. Причём одновременно с самопроизвольным распадом в плутониевом элементе идёт и наведённый, индуцированный распад - за счёт делений, вызванных нейтронами спонтанного распада. Со временем изотопный состав меняется - появляется Америций-241, другие изотопы, а остатки первичного распадения далее участвуют в каскадных реакциях распадения. В зависимости от изменений плотности плутониевого тела захват выделившихся нейтронов немного меняется, плотность же меняется из-за прежде всего температурных условий (теоретически – и из-за изменения состава), которые требуют непрерывного регулирования. Процесс осложняется тем. что плутоний выделяет довольно много тепла, температура компактного куска на воздухе порядка 60 градусов (зависит от формы и состава), и кроме того плутоний в своём довзрывном состоянии дельта-фазы при нагревании сжимается, а не расширяется, как все нормальные вещества – при сжатии скорость реакции немного возрастает, сокращая гарантийный срок эксплуатации. Если боеголовка провела некоторое время без охлаждения, она становится невзрывоспособной – все боеголовки в ракетах утонувших подлодок, утерянные в океане бомбы с бомбардировщиков не представляют никакой взрывной угрозы, они давно и неотвратимо и навсегда потеряли способность взорваться. При отказах систем термостатирования заряда его снимают с эксплуатации и возвращают на завод-изготовитель для утилизации через разборку. Потеря же взрывных свойств объясняется более ранними высокими уровнями энерговыделения при боевом срабатывании заряда из-за накопившейся высокой собственной радиоактивности материала - устройство не успевает пройти штатные стадии перевода в сверхкритическое состояние и взрыва, как эти процессы прерываются ранним энерговыделением, и устройство перестаёт существовать как устройство до выделения штатной мощности или даже ощутимой мощности, до наступления активного взрыва – активный взрыв заменяется по сути на тепловой взрыв устройства, «хлопок».
Это всё в общем. Продолжение следует, но несколько позже - сейчас занята. Я расскажу вам ваш вопрос, Netlog.))
****
Если сжать вопрос (и возможный ответ) до минимума – то что наступает раньше, деградация заряда из-за изменения изотопного состава Pu отливки, или из-за изменения её формы.
Лахезис писал(а):
Попробую до минимума.)) Тут не только одна Рu отливка, Netlog. На ваш вопрос о деградации заряда в вашей постановке нельзя дать точный ответ, он будет относительным условий. Потому что деградация заряда процесс достаточно сложный. Деградация бывает разная - электронная, или ядерная деградация плутониевых отливок, как суперпозиция всех ядерных процессов, идущих в заряде, всё сводится к деградации боевой, как прекращения возможности выдать штатную мощность с таким-то допуском, разбросом энергии. Изменения формы, при тщательном термостатировании, может не происходить никаких изменений формы десятилетиями, однако ядерным образом заряд будет деградировать, по своему сложному закону. Соответственно, нужно варьировать термостатирование – за счёт постепенного возрастания самонагрева плутония. Свежий килограмм выделяет 2.2. ватта, а через пятнадцать лет – сто десять ватт, учтите это в организации эксплуатации заряда. И форма его не будет меняться. Деградация же ядерная произойдёт, на основе периодов полураспада. При всём при этом есть боевая деградация заряда. Она учитывает множество факторов, не только изменения плутониевых отливок. Ведь в бомбе есть ещё боевые материалы, но неплутониевые. А есть делящиеся материалы небоевые. Заряд плутониевый может быть усилен водородным усилением, практическа это капсула с несколькими граммами дейтериево-тритиевой смеси, погружённая внутрь заряда. Или смесь сразу находится равномерно в пористом плутониевом ядре, как в ЮАРовских зарядах. Тритий радиоактивен, он достаточно быстро распадается. Поэтому капсулу необходимо менять раньше, чем происходит деградация плутониевой отливки. Кроме того, тритиевые схемы синтеза использованы в импульсных нейтронных инициаторах, запускающих действие заряда после его перевода в сверхкритическое состояние. Там как термоядерные реакции от локального сжатия смеси, так и разгон ускорителем дейтерия по тритиевой мишени, если помните, и т.п.. Эти «взрыватели» нужно менять тоже чаще – всё определяется лишь значениями периодов полураспадов изотопов, входящих в ту или иную часть. Отсюда боевая деградация заряда, неспособность взорваться, наступит гораздо раньше, чем она произойдёт из-за деградации самих плутониевых боевых элементов. По боевым плутониевым элементам, как таковым, срок эксплуатации где-то до пятнадцати лет, может несколько дольше, но незначительно. Если их нормально эксплуатировать и не перегревать. Однако все тритиевые элементы потеряют свои свойства гораздо раньше, и их нужно заменять в регламентах, по длительности цикла привязанных к периоду полураспада изотопов этих элементов. Капсулу боевого усиления меняют, тритиевые импульсные нейтронные источники меняют. (А чтобы не менять значительные объёмы основной ступени на водородных зарядах, там тритий не содержат, заменяя его на литий и избавляясь от замены основных частей.). При организации нормального термостатирования и своевременной дежурной заменой короткоживущих частей заряда, при построении определённой автоматики этих процессов, мы и получим его гарантийный срок в 15-18 лет. Это для больших зарядов.
****
После чего Лахезис исчезла с данного интернет-ресурса ….