Күшейтілген ядролық қарулардың түрлері

Кіріспе

Ядролық қару түрі. Көбейтілген бөліну қаруы, әдетте, бөліну реакциясының жылдамдығын және осылайша қуатын арттыру үшін шағын мөлшерде термоядролық отынды пайдаланатын ядролық бомбаның түрін білдіреді. Термоядролық реакциялардың нәтижесінде бөлінетін нейтрондар, бөлінуден бөлінетін нейтрондарға қосылады, бұл нейтронмен шақырылған бөліну реакцияларының көбірек өтуіне мүмкіндік береді. Осылайша, бөліну жылдамдығы күрт өседі, нәтижесінде ядро жарылыспен ыдыраудан бұрын бөлінетін материалдың көп бөлігі бөлінуге қабілетті болады. Өзінің термоядролық процесі процеске тек шағын мөлшерде ғана энергия қосады, шамамен 1%. Басқаша айтқанда, бұл – термоядролық синтезді кең ауқымда пайдаланып, қысқартылған уранда бөлінуге қабілетті жылдам нейтрондарды жасайтын, бірақ екі сатылы сутек бомбасы емес, ескірген бір сатылы ядролық бомбаның түрі. Эдвард Теллер бұл бомба түрін "Сағат" деп атаса, Андрей Сахаров оны "Слоика" немесе "Қабатты торт" деп атады (Теллер мен Сахаров бұл идеяны тәуелсіз түрде әзірлеген, белгілі болғандай).

Даму

Көтермелеу идеясы 1947 жылдың соңы мен 1949 жылдың соңы аралығында Лос-Аламоста жасалған. Көтермелеудің басты артықшылығы – ядролық қаруды одан әрі кішірейту, себебі ол сындық масса өзін-өзі жарылмай тұрып, жылдам нейтрондардың күрт ағынын қамтамасыз ету арқылы суперкритикалық ядролық жарылыс үшін қажетті ең аз инерциялық ұстау уақытын қысқартады. Бұл алюминий итергіші мен уран тоқтаушысын, сондай-ақ оларды және бөлінетін материалды суперкритикалық күйге жеткізуге қажетті жарылғыш заттарды қолдану қажеттігін жояды. Көлемді Fat Man бомбасының диаметрі және имплозия үшін 3 тонна жоғары қуатты жарылғыш заттар қажет болса, термоядролық екінші бөлігін тұтандыру үшін күшейтілген бөлінудің бастапқы бөлігін кішкентай ядролық оқ-дәріге (мысалы, W88) орнатуға болады.

Қазіргі заманғы ядролық қаруларда газды күшейту

Жарылыс бомбасында жарылатын отын әдеттегі жарылғыш заттармен жасалған біркелкі шар тәрізді имплозия арқылы жылдам "жинақталады", нәтижесінде суперкритикалық масса пайда болады. Осы күйде, ядроның бөлінуінен бөлінген көптеген нейтрондар отын массасындағы басқа ядролардың бөлінуін тудырады, сонымен қатар қосымша нейтрондарды бөліп, тізбекті реакцияға алып келеді. Бұл реакция бомба жарылғанға дейін отынның ең көп дегенде 20% -ын пайдаланады, немесе жағдайлар идеалды болмаса, одан да аз болуы мүмкін: Little Boy (оқ механизмі) және Fat Man (имплозиялық механизм) бомбаларының тиімділігі тиісінше 1,38% және 13% болды. Түйіндеуді күшейту тритий және дейтерий газын енгізу арқылы жүзеге асырылады. Кейбір жағдайларда қатты литий деутерид тритиді де қолданылған, бірақ газ көбірек икемділік береді (және оны сырттан сақтауға болады) және бөліну отыны шарларының ортасындағы қуыс кеңістікке немесе сыртқы қабат пен "көтерілген" ішкі ядро арасындағы саңылауға, имплозиядан аз уақыт бұрын жіберілуі мүмкін. Бөліну отынының шамамен 1% бөлінген кезде температура термоядролық синтезді тудыратын деңгейге жетеді, бұл салыстырмалы түрде көп мөлшерде жоғары энергиялы нейтрондарды шығарады. Нейтрондардың бұл ағыны тізбекті реакцияның соңғы кезеңдерін жылдамдатып, жарылыс кезінде сынық масса бұзылмас бұрын, бөлінгіш материалдың шамамен екі есе көп бөлігінің бөлінуіне әкеледі. Дейтерий-тритий синтезінен туындаған нейтрондар өте энергиялы, орташа бөліну нейтронына қарағанда жеті есе артық энергияға ие, бұл оларды бөлінгіш материалда ұстап алып, бөлінуге әкелуі ықтимал етеді. Мұның бірнеше себебі бар:

Энергиялы нейтрондар бөлінгіш ядроға соққанда, бөлінуден көптеген екіншілік нейтрондар шығады (мысалы, Pu-239 үшін 4,6-ға қарсы 2,9). Бұл нейтрондардың бөлінгіш ядромен өзара әрекеттесу ықтималдығы бөліну реакциясына тән төмен энергиялы нейтрондарға қарағанда жоғары; плутоний немесе уран ядросының бөлінуге әкелетін "соқтығысу" аймағы әлдеқайда үлкен. Формальды түрде, жоғары энергиялы нейтрондар үшін бөліну қимасы абсолюттік мәнде де, шашырау және ұстау қималарына пропорционалды түрде де үлкен. Осы факторларды ескере отырып, плутонийдегі (денситі 19,8 г/см3) дейтерий-тритий синтезінен туындаған нейтрондардың максималды альфа мәні орташа бөліну нейтронына қарағанда шамамен 8 есе жоғары (2,5-ке қарсы 3). Синтезді күшейтудің әлеуетті үлесін бір моль тритийдің (3 грамм) және бір моль дейтерийдің (2 грамм) толық синтезінен бір моль нейтрондар (1 грамм) пайда болатынын байқау арқылы түсінуге болады, бұл, шығыстарды және шашырауды ескермегенде, бір моль (239 грамм) плутонийді тікелей бөлініп, 4,6 моль екіншілік нейтрондарды шығарады, бұл өз кезегінде тағы 4,6 моль плутонийді (1099 г) бөлініп шығарады. Бірінші екі буындағы 1338 г плутонийдің бөлінуі 23 килотонна TNT эквивалентін (97 ТДж) энергияны босатады және 4,5 кг плутонийді (типілі кіші бөліну триггері) қамтитын бомба үшін 29,7% тиімділікке әкеледі. 5 г синтез отынының өзінен шыққан энергия 1338 г плутонийдің бөлінуінен шыққан энергияның тек 1,73% -ын құрайды. Жалпы өнімділік пен тиімділік жоғары болуы мүмкін, өйткені тізбекті реакция синтезді күшейткеннен кейін екінші буыннан кейін де жалғаса алады. Синтезді күшейтілген бөліну бомбаларын жақын жердегі ядролық жарылыстардан туындаған нейтрондық сәулеленуге қарсы иммунды етуге болады, бұл басқа конструкциялардың алдын ала жарылуына себеп болып, жоғары өнімділікке қол жеткізбей жарылып кетуіне әкеледі. Салмақтың өнімділікке қатынасының төмендеуі және сәулеленуге қарсы иммунитет қазіргі заманғы ядролық қарудың көп бөлігінің синтезді күшейтілуін қамтамасыз етті. Бірлескен реакция жылдамдығы әдетте 20-30 мегакельвинде маңызды болады. Бұл температура өте төмен тиімділікте, бөлінгіш материалдың 1% -дан аз бөлінгенде (TNT-нің жүздеген тоннасына сәйкес келеді) жетеді. Имплозиялық қарулар нейтрондар сын сәтінде болса да, осы диапазонды өнімділікке жете алатындай етіп жобалануы мүмкін болғандықтан, синтезді күшейту алдын ала жарылуға қарсы тиімді қарулар жасауға мүмкіндік береді. Бұл қауіпті жою күшейтуді пайдаланудың маңызды артықшылығы болып табылады. АҚШ арсеналындағы барлық қарулар күшейтілген конструкциялар болып көрінеді.

When these energetic neutrons strike a fissile nucleus, a much larger number of secondary neutrons are released by the fission (e. g. 4.6 vs 2.9 for Pu 239). The likelihood of these neutrons interacting with a fissile nucleus is higher than for lower energy neutrons typical of a fission reaction; the area of the Plutonium or Uranium nucleus where an 'impact' will lead to fission is much larger. More formally, the fission cross section is larger for higher energy neutrons, both in absolute terms and in proportion to the scattering and capture cross sections. Taking these factors into account, the maximum alpha value for Deuterium Tritium fusion neutrons in plutonium (density 19.8 g/cm3) is some 8 times higher than for an average fission neutron (2.5 vs 3). A sense of the potential contribution of fusion boosting can be gained by observing that the complete fusion of one mole of tritium (3 grams) and one mole of deuterium (2 grams) would produce one mole of neutrons (1 gram), which, neglecting escape losses and scattering, could fission one mole (239 grams) of plutonium directly, producing 4.6 moles of secondary neutrons, which can in turn fission another 4.6 moles of plutonium (1,099 g). The fission of this 1,338 g of plutonium in the first two generations would release 23 kilotons of TNT equivalent (97 TJ) of energy, and would by itself result in a 29.7% efficiency for a bomb containing 4.5 kg of plutonium (a typical small fission trigger). The energy released by the fusion of the 5 g of fusion fuel itself is only 1.73% of the energy released by the fission of 1,338 g of plutonium. Larger total yields and higher efficiency are possible, since the chain reaction can continue beyond the second generation after fusion boosting. Fusion boosted fission bombs can also be made immune to neutron radiation from nearby nuclear explosions, which can cause other designs to predetonate, blowing themselves apart without achieving a high yield. The combination of reduced weight in relation to yield and immunity to radiation has ensured that most modern nuclear weapons are fusion boosted. The fusion reaction rate typically becomes significant at 20 to 30 megakelvins. This temperature is reached at very low efficiencies, when less than 1% of the fissile material has fissioned (corresponding to a yield in the range of hundreds of tons of TNT). Since implosion weapons can be designed that will achieve yields in this range even if neutrons are present at the moment of criticality, fusion boosting allows the manufacture of efficient weapons that are immune to predetonation. Elimination of this hazard is a very important advantage in using boosting. It appears that every weapon now in the U. S. arsenal is a boosted design.

Кейбір ертедегі сатылы емес термоядролық қару жобалары

Джо 4, советтік "қабатты торт" ("Слоика", Слойка) сияқты ерте термоядролық қарулар, уран-238 атомында тікелей бөлінуді тудыру үшін синтездің үлкен мөлшерін пайдаланды. Бұл қарулар бөлінетін ядросы литий-6 деутеридінің қабатымен қоршалған, ал оның сыртында таусылған уранның қабаты орналасқан. Кейбір конструкциялар (қабатты торт сияқты) осы материалдардың бірнеше алмастырылатын қабаттарын қамтыды. Советтік қабатты торт американдық "Сағат қоңырауы" конструкциясына ұқсас болды, ол ешқашан салынбады, ал британдық "Жасыл бамбук" конструкциясы салынды, бірақ сынақтан өткізілмеді. Осы типтегі бомба жарылғанда, жоғары тазартылған уран немесе плутоний ядросының бөлінуі нейтрондарды жасайды, олардың бір бөлігі литий-6 атомдарына соқтығысып, тритийді құрайды. Ядродағы бөлінуден туындаған температурада тритий мен дейтерий жоғары қысымсыз термоядролық синтезден өте алады. Тритий мен дейтерийдің синтезі 14 МэВ энергиясы бар нейтронды тудырады – бұл бастапқы реакцияны қозғаған 1 МэВ нейтроннан әлдеқайда жоғары. Осы қару түрінде синтездің басты мақсаты энергияны өндіру емес, жоғары энергиялы нейтрондарды жасау болып табылады. Бұл 14 МэВ нейтрон уран-238 атомына соқтығысып, бөлінуге себеп болады: егер синтез кезеңі болмаса, бастапқы 1 МэВ нейтрон уран-238 атомына соқтығысқанда, ықтимал түрінде жұтылып кетер еді. Бұл бөліну энергияны және нейтрондарды босатады, олар қалған литий-6-дан одан да көп тритий жасайды, осылайша үздіксіз цикл жалғасады. Уран-238-дің бөлінуінен алынған энергия қару үшін пайдалы: себебі таусылған уран жоғары тазартылған ураннан әлдеқайда арзан, және ол тікелей бөлінуге ұшырамайды, сондықтан қатаң апатқа ұшырау ықтималдығы төмен. Осы типтегі термоядролық қару синтезден өнімділігінің 20% дейін, ал қалғаны бөлінуден шығарады, ал оның өнімділігі бір мегатоннадан кем ТНТ (4 ПДж) эквивалентімен шектеледі. Джо 4 400 килотонна ТНТ (1,7 ПДж) өнімділігін берді. Қарама-қарсылығы, "нағыз" сутекті бомба өнімділігінің 97% дейін синтезден шығара алады, ал оның жарылғыш өнімділігі тек құрылғының өлшемімен ғана шектеледі.

Early thermonuclear weapon designs such as the Joe 4, the Soviet "Layer Cake" ("Sloika", Слойка), used large amounts of fusion to induce fission in the uranium 238 atoms that make up depleted uranium. These weapons had a fissile core surrounded by a layer of lithium 6 deuteride, in turn surrounded by a layer of depleted uranium. Some designs (including the layer cake) had several alternate layers of these materials. The Soviet Layer Cake was similar to the American Alarm Clock design, which was never built, and the British Green Bamboo design, which was built but never tested. When this type of bomb explodes, the fission of the highly enriched uranium or plutonium core creates neutrons, some of which escape and strike atoms of lithium 6, creating tritium. At the temperature created by fission in the core, tritium and deuterium can undergo thermonuclear fusion without a high level of compression. The fusion of tritium and deuterium produces a neutron with an energy of 14 MeV—a much higher energy than the 1 MeV of the neutron that began the reaction. This creation of high energy neutrons, rather than energy yield, is the main purpose of fusion in this kind of weapon. This 14 MeV neutron then strikes an atom of uranium 238, causing fission: without this fusion stage, the original 1 MeV neutron hitting an atom of uranium 238 would probably have just been absorbed. This fission then releases energy and also neutrons, which then create more tritium from the remaining lithium 6, and so on, in a continuous cycle. Energy from fission of uranium 238 is useful in weapons: both because depleted uranium is much cheaper than highly enriched uranium and because it cannot go critical and is therefore less likely to be involved in a catastrophic accident. This kind of thermonuclear weapon can produce up to 20% of its yield from fusion, with the rest coming from fission, and is limited in yield to less than one megaton of TNT (4 PJ) equivalent. Joe 4 yielded 400 kilotons of TNT (1.7 PJ). In comparison, a "true" hydrogen bomb can produce up to 97% of its yield from fusion, and its explosive yield is limited only by device size.

Газбен қуатталатын ядролық қаруды күтіп ұстау

Тритий – 12,355 жыл жартылай ыдырау периоды бар радиоактивті изотоп. Оның негізгі ыдырау өнімі – гелий-3, ол нейтрондарды ұстау қимасы ең жоғары нуклидтердің бірі. Сондықтан, қарудың гелий қалдықтарын мерзімімен тазарту және тритий қорын қайта толықтыру қажет. Өйткені қарудың тритий қорындағы кез келген гелий-3, қарудың жарқын кезінде оның бөлшектену отынының ядроларымен соқтығысуға тиіс нейтрондарды сіңіріп алып, зиянды әсер етеді. Тритийді өндіру салыстырмалы түрде қымбат, себебі тритий ядросын құрайтын әрбір тритон үшін кем дегенде бір бос нейтрон өндірілуі керек, ол шикізатты бомбалау үшін қолданылады (литий-6, дейтерий немесе гелий-3). Шындығында, шығындар мен тиімсіздіктерге байланысты, әр тритон үшін қажетті бос нейтрондардың саны екіге жуық (сондай-ақ тритий бірден ыдырай бастайды, сондықтан өндіріс орнынан қаруға жинау, сақтау және тасымалдау кезінде де шығындар туындайды). Бос нейтрондарды өндіру үшін тритий өндіру орнына арналған селекторлық реактор немесе бөлшектерді үдеткіші (спалляциялық нысанасымен) қажет.