Введение

Радиационная имплозия — это сжатие мишени посредством использования интенсивного электромагнитного излучения. Основное применение этой технологии — в термоядерном оружии и исследованиях инерциального термоядерного синтеза.

История

Радиационная имплозия была впервые разработана Клаусом Фуксом и Джоном фон Нейманом в Соединенных Штатах в рамках их работы над первоначальным проектом водородной бомбы "Классический супер". Их работа привела к подаче секретного патента в 1946 году, который позднее Фукс передал СССР в рамках своей деятельности по ядерному шпионажу. Однако их схема отличалась от той, что была использована в окончательном варианте конструкции водородной бомбы, и ни американские, ни советские программы не смогли напрямую использовать ее при разработке водородной бомбы (ее ценность проявилась лишь впоследствии). Модифицированная версия схемы Фукса-фон Неймана была применена в ходе испытания "Джордж" операции "Greenhouse". В 1951 году Станиславу Уламу пришла в голову идея использовать гидродинамический удар от деления для сжатия большего количества делящегося материала до чрезвычайно высокой плотности, чтобы создать двухступенчатые делящиеся бомбы мегатонного класса. Затем он осознал, что этот подход может быть полезен для инициирования термоядерной реакции. Он поделился этой идеей с Эдвардом Теллером, который понял, что радиационное сжатие будет более быстрым и эффективным, чем механическое сжатие. Это сочетание идей, вместе с делящимся "запалом", встроенным в термоядерное топливо, стало известно как конструкция Теллера-Улама для водородной бомбы.

Источник излучения ядерной бомбы

Большая часть энергии, высвобождаемой при взрыве атомной бомбы, приходится на рентгеновское излучение. Спектр приблизительно соответствует спектру абсолютно чёрного тела при температуре 50 000 000 кельвинов (немного более чем в три раза выше температуры ядра Солнца). Амплитуду можно смоделировать в виде трапециевидного импульса с временем нарастания в одну микросекунду, временем удержания на плато в одну микросекунду и временем спада в одну микросекунду. Для 30-килотонной атомной бомбы общий выход рентгеновского излучения составит 100 тераджоулей (более 70% от общей энергии взрыва).

Транспорт излучения

В бомбе Теллера-Улама объект, который должен быть сжат, называется "вторичным". Он содержит термоядерный материал, такой как литий-деутерид, а его внешние слои изготовлены из материала, непрозрачного для рентгеновских лучей, например, свинца или урана-238. Чтобы рентгеновские лучи с поверхности первичного взрывного устройства, атомной бомбы, достигли поверхности вторичного, используется система "рентгеновских отражателей". Отражатель обычно представляет собой цилиндр из материала, такого как уран. Первичный располагается на одном конце цилиндра, а вторичный – на другом. Внутренняя часть цилиндра обычно заполнена пеной, в основном прозрачной для рентгеновских лучей, например, полистиролом. Термин "отражатель" может ввести в заблуждение, так как создает впечатление, что устройство работает как зеркало. Часть рентгеновских лучей рассеивается, но основная часть энергии передается в два этапа: рентгеновский отражатель нагревается до высокой температуры потоком от первичного, а затем излучает рентгеновские лучи, которые достигают вторичного. Для повышения эффективности процесса отражения используются различные засекреченные методы. Некоторые китайские документы свидетельствуют о том, что китайские ученые использовали другой метод для достижения радиационного сжатия. Согласно этим документам, рентгеновская линза, а не отражатель, использовалась для передачи энергии от первичного к вторичному при создании первой китайской водородной бомбы.

Процесс имплозии в ядерном оружии

Термин "радиационная имплозия" подразумевает, что вторичная часть сжимается под давлением излучения, однако расчеты показывают, что хотя это давление и очень велико, давление материалов, испаряемых излучением, значительно больше. Внешние слои вторичной части нагреваются до такой степени, что испаряются и с высокой скоростью покидают поверхность. Отдача от выброса этого поверхностного слоя создает давление, которое на порядок превышает простое давление излучения. Таким образом, так называемая радиационная имплозия в термоядерном оружии представляет собой имплозию, основанную на радиационно-абляционном движении.

Имплозии лазерного излучения

Было много интереса к использованию мощных лазеров для воспламенения небольшого количества термоядерного топлива. Этот процесс известен как инерциальный термоядерный синтез (ИТС). В рамках этих исследований значительный объем информации о технологии радиационного сжатия был рассекречен. При использовании оптических лазеров различают системы "прямого нацеливания" и "косвенного нацеливания". В системе прямого нацеливания лазерный луч (или лучи) направляется непосредственно на мишень, и время нарастания импульса лазерной системы определяет, какой профиль сжатия будет достигнут. В системе косвенного нацеливания мишень окружена оболочкой (называемой Hohlraum) из материала с промежуточным атомным номером Z, например, селена. Лазер нагревает эту оболочку до температуры, при которой она излучает рентгеновское излучение, которое затем воздействует на термоядерную мишень. Косвенное нацеливание имеет ряд преимуществ, включая лучший контроль над спектром излучения, меньшие габариты системы (вторичное излучение обычно имеет длину волны в 100 раз меньше длины волны лазера-драйвера) и более точный контроль над профилем сжатия.