Усиленные ядерные боеприпасы: принцип действия и развитие

Введение

Тип ядерного оружия

Усиленное деление обычно относится к типу ядерной бомбы, использующей небольшое количество термоядерного топлива для увеличения скорости и, следовательно, мощности реакции деления. Нейтроны, высвобождаемые в реакциях синтеза, добавляются к нейтронам, высвобождаемым при делении, что позволяет проводить больше делений, вызванных нейтронами. Таким образом, скорость деления значительно возрастает, что позволяет большей части делящегося материала подвергнуться делению до взрывного разрушения активной зоны. Сам процесс синтеза добавляет лишь небольшую часть энергии, возможно, около 1%. Другое значение – устаревший тип одноступенчатой ядерной бомбы, использующей термоядерный синтез в больших масштабах для создания быстрых нейтронов, вызывающих деление обеднённого урана, но не являющейся двухступенчатой водородной бомбой. Эдвард Теллер называл этот тип бомбы «Будильником», а Андрей Сахаров – «Слойкой» или «многослойным тортом» (Теллер и Сахаров разработали эту идею независимо друг от друга, насколько известно).

Разработка

Идея форсирования была первоначально разработана между концом 1947 и концом 1949 года в Лос-Аламосе. Основное преимущество форсирования заключается в дальнейшей миниатюризации ядерного оружия, поскольку оно уменьшает минимальное время инерционного удержания, необходимое для сверхкритического ядерного взрыва, обеспечивая резкий приток быстрых нейтронов до того, как критическая масса успеет разлететься. Это позволило бы отказаться от алюминиевого пушера и уранового отражателя, а также от взрывчатых веществ, необходимых для сжатия их и делящегося материала до сверхкритического состояния. В то время как громоздкая бомба "Толстяк" имела диаметр и требовала 3 тонн взрывчатых веществ для имплозии, форсированный делящийся блок можно установить на небольшую ядерную боеголовку (например, W88) для воспламенения термоядерного вторичного заряда.

Газовые боеприпасы в современном ядерном оружии

В ядерной бомбе расщепляющееся топливо быстро "собирается" посредством однородного сферического сжатия, создаваемого обычными взрывчатыми веществами, формируя сверхкритическую массу. В этом состоянии многие нейтроны, высвобождаемые при делении ядра, индуцируют деление других ядер в топливной массе, также высвобождая дополнительные нейтроны, что приводит к цепной реакции. Эта реакция потребляет не более 20% топлива до самопроизвольного разрушения бомбы, или, возможно, значительно меньше при неидеальных условиях: бомбы Little Boy (пушечный тип) и Fat Man (имплозионный тип) имели эффективность 1,38% и 13% соответственно. Усиление термоядерного синтеза достигается путем введения трития и дейтерия. Твердый литийдейтеридтритид также использовался в некоторых случаях, но газ обеспечивает большую гибкость (и может храниться отдельно) и может быть введен в полость в центре сферы расщепляющегося топлива или в зазор между внешним слоем и "левитированным" внутренним ядром незадолго до сжатия. К тому моменту, когда расщепится около 1% расщепляющегося топлива, температура повышается настолько, что начинается термоядерный синтез, который производит относительно большое количество высокоэнергетических нейтронов. Этот приток нейтронов ускоряет поздние стадии цепной реакции, вызывая деление примерно вдвое большего количества делящегося материала до разборки критической массы взрывом. Нейтроны, образующиеся при синтезе дейтерия и трития, чрезвычайно энергичны – в семь раз энергичнее, чем средний нейтрон деления, что значительно повышает вероятность их захвата делящимся материалом и последующего деления. Это обусловлено несколькими причинами: когда эти энергичные нейтроны сталкиваются с делящимся ядром, в результате деления высвобождается гораздо больше вторичных нейтронов (например, 4,6 против 2,9 для Pu-239). Вероятность взаимодействия этих нейтронов с делящимся ядром выше, чем для нейтронов с более низкой энергией, характерных для реакции деления; площадь ядра плутония или урана, при попадании в которую происходит деление, значительно больше. Более формально, сечение деления выше для нейтронов с более высокой энергией как в абсолютном выражении, так и по отношению к сечениям рассеяния и захвата. Учитывая эти факторы, максимальное значение альфа для нейтронов синтеза дейтерия и трития в плутонии (плотность 19,8 г/см³) примерно в 8 раз выше, чем для среднего нейтрона деления (2,5 против 3). Оценить потенциальный вклад усиления синтеза можно, учитывая, что полный синтез одного моля трития (3 грамма) и одного моля дейтерия (2 грамма) произведет один моль нейтронов (1 грамм), который, пренебрегая потерями на утечку и рассеяние, может напрямую расщепить один моль (239 грамм) плутония, высвободив 4,6 моля вторичных нейтронов, которые, в свою очередь, могут расщепить еще 4,6 моля плутония (1099 г). Расщепление этих 1338 г плутония в первых двух поколениях высвободит 23 килотонны энергии, эквивалентной тротилу (97 ТДж), и само по себе обеспечит эффективность 29,7% для бомбы, содержащей 4,5 кг плутония (типичный небольшой триггер деления). Энергия, высвобождаемая при синтезе 5 г самого синтезного топлива, составляет лишь 1,73% энергии, высвобождаемой при расщеплении 1338 г плутония. Более высокая общая мощность и эффективность возможны, поскольку цепная реакция может продолжаться и после второго поколения после усиления синтеза. Бомбы с расщеплением, усиленные синтезом, также могут быть защищены от нейтронного излучения от близлежащих ядерных взрывов, которое может вызвать преждевременную детонацию других конструкций, приводя к взрыву без достижения высокой мощности. Сочетание снижения веса при заданной мощности и устойчивости к радиации привело к тому, что большинство современных ядерных вооружений используют усиление синтезом. Скорость реакции синтеза обычно становится значительной при 20–30 мегакельвинах. Эта температура достигается при очень низкой эффективности, когда расщепляется менее 1% расщепляющегося материала (что соответствует мощности в диапазоне сотен тонн тротила). Поскольку имплозионное оружие может быть спроектировано таким образом, чтобы достигать такой мощности даже при наличии нейтронов в момент критичности, усиление синтезом позволяет создавать эффективное оружие, устойчивое к преждевременной детонации. Устранение этой опасности является важным преимуществом использования усиления. По всей видимости, все оружие, находящееся на вооружении США, использует конструкцию с усилением.

In a fission bomb, the fissile fuel is "assembled" quickly by a uniform spherical implosion created with conventional explosives, producing a supercritical mass. In this state, many of the neutrons released by the fissioning of a nucleus will induce fission of other nuclei in the fuel mass, also releasing additional neutrons, leading to a chain reaction. This reaction consumes at most 20% of the fuel before the bomb blows itself apart, or possibly much less if conditions are not ideal: the Little Boy (gun type mechanism) and Fat Man (implosion type mechanism) bombs had efficiencies of 1.38% and 13%, respectively. Fusion boosting is achieved by introducing tritium and deuterium gas. Solid lithium deuteride tritide has also been used in some cases, but gas allows more flexibility (and can be stored externally) and can be injected into a hollow cavity at the center of the sphere of fission fuel, or into a gap between an outer layer and a "levitated" inner core, sometime before implosion. By the time about 1% of the fission fuel has fissioned, the temperature rises high enough to cause thermonuclear fusion, which produces relatively large numbers of high energy neutrons. This influx of neutrons speeds up the late stages of the chain reaction, causing approximately twice as much of the fissile material to fission before the critical mass is disassembled by the explosion. Deuterium tritium fusion neutrons are extremely energetic, seven times more energetic than an average fission neutron, which makes them much more likely to be captured in the fissile material and lead to fission. This is due to several reasons:

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.

Некоторые ранние неэтапные конструкции термоядерного оружия

Ранние конструкции термоядерного оружия, такие как Joe 4, советский "слойный торт" ("Слойка", Слойка), использовали большое количество термоядерного синтеза для инициирования деления в атомах урана-238, составляющих обедненный уран. Это оружие имело делящееся ядро, окруженное слоем лития-6-деутерида, который, в свою очередь, был окружен слоем обедненного урана. Некоторые конструкции (включая "слойный торт") имели несколько чередующихся слоев этих материалов. Советский "слойный торт" был аналогичен американской конструкции "Alarm Clock", которая так и не была построена, и британской конструкции "Green Bamboo", которая была построена, но не испытывалась. При взрыве бомбы этого типа деление высокообогащенного урана или плутония создает нейтроны, часть из которых покидает ядро и сталкивается с атомами лития-6, образуя тритий. При температуре, создаваемой делением в ядре, тритий и дейтерий могут вступать в реакцию термоядерного синтеза без сильного сжатия. В результате синтеза трития и дейтерия образуется нейтрон с энергией 14 МэВ – значительно превышающей энергию 1 МэВ нейтрона, начавшего реакцию. Основная цель синтеза в этом типе оружия – создание высокоэнергетических нейтронов, а не увеличение энергии взрыва. Этот 14-МэВ нейтрон, в свою очередь, сталкивается с атомом урана-238, вызывая его деление: без этой стадии синтеза первоначальный 1-МэВ нейтрон, попав в атом урана-238, скорее всего, был бы просто поглощен. Это деление высвобождает энергию и новые нейтроны, которые затем образуют больше трития из оставшегося лития-6, и так далее, в непрерывном цикле. Энергия, выделяющаяся при делении урана-238, выгодна для оружия: во-первых, обедненный уран значительно дешевле высокообогащенного, а во-вторых, он не может достичь критического состояния и, следовательно, менее подвержен риску катастрофической аварии. Это термоядерное оружие может получать до 20% своей мощности от синтеза, а остальное – от деления, и его мощность ограничена менее чем одним мегатонном в тротиловом эквиваленте (4 ПДж). Joe 4 дал мощность в 400 килотонн в тротиловом эквиваленте (1,7 ПДж). Для сравнения, "настоящая" водородная бомба может производить до 97% своей мощности от синтеза, а ее взрывная мощность ограничена только размерами устройства.

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.

Содержание ядерного оружия с газовым усилением

Тритий – радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12 355 лет. Основным продуктом его распада является гелий-3, который обладает одним из самых высоких показателей сечения захвата нейтронов. Поэтому оружие необходимо периодически очищать от скопившегося гелия и восполнять запасы трития. Это связано с тем, что любой гелий-3 в запасе трития оружия будет действовать как «отравляющее вещество» при его детонации, поглощая нейтроны, предназначенные для столкновения с ядрами делящегося материала. Производство трития относительно дорого, поскольку для получения каждого тритона (ядра трития) требуется производство как минимум одного свободного нейтрона, используемого для облучения исходного материала (лития-6, дейтерия или гелия-3). Фактически, из-за потерь и неэффективности, для производства каждого тритона требуется ближе к двум свободным нейтронам (а тритий начинает распадаться сразу же, что приводит к потерям при сборе, хранении и транспортировке от производственного объекта к боевым зарядам). Для производства свободных нейтронов требуется эксплуатация либо реактора-размножителя, либо ускорителя частиц (с мишенью для расщепления), предназначенного для производства трития.