Сәулелендірудің күшпен сығылуы: ядролық қару жасаудағы және инерциялық шектеу термоядролық зерттеудегі маңызды технология. Клаус Фукс пен Джон фон Нейманн жасаған.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Радиациялық имплозия – жоғары деңгейдегі электромагниттік сәулеленуді пайдалану арқылы нысананы қысу. Бұл технологияның негізгі қолданылуы термоядролық бомбалар және инерциялық шектеу термоядролық зерттеулерде.
Radiation implosion is the compression of a target by the use of high levels of electromagnetic radiation. The major use for this technology is in fusion bombs and inertial confinement fusion research.
Тарих
Радиациялық имплозияны алғаш рет АҚШ-та Клаус Фукс пен Джон фон Нейман "Классикалық супер" сутекті бомбаның бастапқы жобасы бойынша жұмыс істеген кезде жасады. Олардың жұмысы 1946 жылы құпия патентке әкелді, ал кейіннен Фукс оны ядролық тыңшылықтың бір бөлігі ретінде КСРО-ға тапсырды. Дегенмен, олардың схемасы соңғы сутекті бомба жобасынан өзгеше болды, және американдық, сондай-ақ советтік бағдарламалар оны сутекті бомбаны жасауда тікелей пайдалана алмады (оның құндылығы кейін ғана анықталды). Фукс-фон Нейман схемасының өңделген нұсқасы "Жылыжай" операциясының "Жорж" сынағына енгізілді. 1951 жылы Станислав Улам мегатондық қуатты, екі сатылы жарылыс бомбаларын жасау үшін бөлінуге қабілетті материалды өте жоғары тығыздыққа қысу үшін ядролық қарудың гидродинамикалық соққысын пайдалану туралы идея келтірді. Ол содан кейін бұл тәсіл термоядролық реакцияны іске қосу үшін пайдалы болуы мүмкін екенін түсінді. Ол бұл идеяны Эдвард Теллерге ұсынды, ол сәулелену арқылы қысудың механикалық соққыдан жылдам және тиімді болатынын түсінді. Бұл идеялардың үйлесімі, сондай-ақ синтездік отынның ішіне орналасқан "жарылыс ошағы" Теллер-Улам сутекті бомбасының жобасы ретінде танылды.
Radiation implosion was first developed by Klaus Fuchs and John von Neumann in the United States, as part of their work on the original "Classical Super" hydrogen bomb design. Their work resulted in a secret patent filed in 1946, and later given to the USSR by Fuchs as part of his nuclear espionage. However, their scheme was not the same as used in the final hydrogen bomb design, and neither the American nor the Soviet programs were able to make use of it directly in developing the hydrogen bomb (its value would become apparent only after the fact). A modified version of the Fuchs von Neumann scheme was incorporated into the "George" shot of Operation Greenhouse. In 1951, Stanislaw Ulam had the idea to use hydrodynamic shock of a fission weapon to compress more fissionable material to extremely high densities in order to make megaton range, two stage fission bombs. He then realized that this approach might be useful for starting a thermonuclear reaction. He presented the idea to Edward Teller, who realized that radiation compression would be both faster and more efficient than mechanical shock. This combination of ideas, along with a fission "spark plug" embedded inside the fusion fuel, became what is known as the Teller–Ulam design for the hydrogen bomb.
Бөлінуші бомбаның сәулелену көзі
Жарылыс кезінде бомба бөлінетін энергияның көп бөлігі рентген сәулелері түрінде болады. Спектрі шамамен 50,000,000 Кельвин температурадағы қара дененің спектріне ұқсас (күн ядросының температурасынан үш еседен астам). Амплитуданы бір микросекунд көтерілу уақыты, бір микросекунд тұрақтанған кезең және бір микросекунд құлау уақыты бар трапеция тәрізді импульс ретінде модельдеуге болады. 30 килотонналық ядролық бомба үшін рентген сәулелерінің жалпы шығыны 100 тераджоульге жетеді (жалпы қуатының 70% астамы).
Most of the energy released by a fission bomb is in the form of x rays. The spectrum is approximately that of a black body at a temperature of 50,000,000 kelvins (a little more than three times the temperature of the Sun's core). The amplitude can be modeled as a trapezoidal pulse with a one microsecond rise time, one microsecond plateau, and one microsecond fall time. For a 30 kiloton fission bomb, the total x ray output would be 100 terajoules (more than 70% of the total yield).
Сәулелену тасымалы
Теллер-Улам бомбасында жарылысқа қатысатын нысан "екіншілік" деп аталады. Оның құрамында литий деутериді сияқты қосылу материалы бар, ал сыртқы қабаттары – қорғасын немесе уран-238 сияқты рентген сәулелеріне өткір емес материалдан жасалған. Рентген сәулелерін бастапқы, яғни бөліну бомбасының бетінен екіншіліктің бетіне жеткізу үшін "рентген сәулелерін шағылыстыратын" жүйе қолданылады. Шағылыстырғыш әдетте уран сияқты материалдан жасалған цилиндр болып келеді. Бастапқы цилиндрдің бір шетінде, ал екіншілік – екінші шетінде орналасқан. Цилиндрдің ішкі кеңістігі көбінесе полистирол сияқты рентген сәулелеріне мөлдір келетін көбікпен толтырылады. "Шағылыстырғыш" термині шатастырады, себебі ол құрылғы айна сияқты жұмыс істейді деген ой тудырады. Рентген сәулелерінің бір бөлігі таралып немесе шашырап кетеді, бірақ энергияның көп бөлігі екі сатылы процесс арқылы беріледі: рентген сәулелерін шағылыстыратын цилиндр бастапқыдан келетін сәуле ағынымен қыздырылады, содан кейін ол екіншілікке қарай бағытталатын рентген сәулелерін шығарады. Шағылыстыру процесінің тиімділігін арттыру үшін түрлі құпия әдістер қолданылады. Қытай деректерінің бірінде қытай ғалымдарының радиациялық жарылысқа қол жеткізу үшін басқа тәсіл қолданғаны көрсетілген. Осы деректерге сәйкес, алғашқы қытайлық сутегі бомбасын жасау кезінде энергияны бастапқыдан екіншілікке беру үшін шағылыстырғыш емес, рентгендік линза пайдаланылды.
In a Teller Ulam bomb, the object to be imploded is called the "secondary". It contains fusion material, such as lithium deuteride, and its outer layers are a material which is opaque to x rays, such as lead or uranium 238. In order to get the x rays from the surface of the primary, the fission bomb, to the surface of the secondary, a system of "x ray reflectors" is used. The reflector is typically a cylinder made of a material such as uranium. The primary is located at one end of the cylinder and the secondary is located at the other end. The interior of the cylinder is commonly filled with a foam which is mostly transparent to x rays, such as polystyrene. The term reflector is misleading, since it gives the reader an idea that the device works like a mirror. Some of the x rays are diffused or scattered, but the majority of the energy transport happens by a two step process: the x ray reflector is heated to a high temperature by the flux from the primary, and then it emits x rays which travel to the secondary. Various classified methods are used to improve the performance of the reflection process. Some Chinese documents show that Chinese scientists used a different method to achieve radiation implosion. According to these documents, an X ray lens, not a reflector, was used to transfer the energy from primary to secondary during the making of the first Chinese H bomb.
Ядролық қарудың имплозия процесі
"Радиациялық имплозия" термині екінші буынның радиациялық қысыммен қысылуын білдіреді, бірақ есептеулер көрсеткендей, бұл қысым өте жоғары болғанымен, радиациядан булаған материалдардың қысымы одан да зор. Екінші буынның сыртқы қабаттары қатты қызғандықтан буланып, бетінен жоғары жылдамдықпен ұшып кетеді. Осы беткі қабаттың ұшырылуынан туындайтын қарсы әрекет қысымы, қарапайым радиациялық қысымнан бірнеше есе күшті болады. Сондықтан термоядролық қарудағы "радиациялық имплозия" радиациямен қозғалатын абразиялық жетектемелі имплозия болып саналады.
The term "radiation implosion" suggests that the secondary is crushed by radiation pressure, and calculations show that while this pressure is very large, the pressure of the materials vaporized by the radiation is much larger. The outer layers of the secondary become so hot that they vaporize and fly off the surface at high speeds. The recoil from this surface layer ejection produces pressures which are an order of magnitude stronger than the simple radiation pressure. The so called radiation implosion in thermonuclear weapons is therefore thought to be a radiation powered ablation drive implosion.
Лазерлік сәулелену имплозиясы
Үлкен лазерлерді аз мөлшердегі термоядролық материалды тұтандыру үшін пайдалануға көп қызығушылық танылды. Бұл процесс инерциялық шектеу термоядыры (ICF) деп аталады. Осы зерттеулердің бір бөлігі ретінде, радиациялық имплозия технологиясы туралы көптеген мәліметтер құпиясы ашылды. Оптикалық лазерлерді қолданғанда, "тікелей жетегіш" және "тікелей емес жетегіш" жүйелері арасында ерекшелік жасалады. Тікелей жетегіш жүйесінде лазер сәулесі немесе сәулелер тікелей нысанаға бағытталады, ал лазер жүйесінің өсу уақыты қандай қысым профиліне қол жеткізілетінін анықтайды. Тікелей емес жетегіш жүйесінде нысана селен сияқты аралық Z материалынан жасалған қабықшамен (хольраум деп аталады) қоршалған. Лазер бұл қабықшаны рентген сәулелерін шығаратындай температураға дейін қыздырады, ал бұл рентген сәулелері термоядролық нысанаға жеткізіледі. Тікелей емес жетегіштің бірнеше артықшылықтары бар, оның ішінде сәулелену спектрін жақсырақ бақылау, жүйенің кішірек көлемі (екіншілік сәулеленудің толқын ұзындығы көбінесе жетекші лазерден 100 есе кіші) және қысым профилін дәлірек бақылау мүмкіндігі.
There has been much interest in the use of large lasers to ignite small amounts of fusion material. This process is known as inertial confinement fusion (ICF). As part of that research, much information on radiation implosion technology has been declassified. When using optical lasers, there is a distinction made between "direct drive" and "indirect drive" systems. In a direct drive system, the laser beam(s) are directed onto the target, and the rise time of the laser system determines what kind of compression profile will be achieved. In an indirect drive system, the target is surrounded by a shell (called a Hohlraum) of some intermediate Z material, such as selenium. The laser heats this shell to a temperature such that it emits x rays, and these x rays are then transported onto the fusion target. Indirect drive has various advantages, including better control over the spectrum of the radiation, smaller system size (the secondary radiation typically has a wavelength 100 times smaller than the driver laser), and more precise control over the compression profile.