Ядерное оружие типа "пушка" и его конструкция.

Введение

Ядерное оружие, основанное на делении

Ядерное оружие типа "пушка" – это ядерное оружие, основанное на делении, в конструкции которого делящийся материал собирается в сверхкритическую массу с использованием метода "пушки": путем выстреливания одной подкритической части в другую. Хотя это иногда изображают как соединение двух подкритических полусфер для создания сверхкритической сферы, обычно полый снаряд выстреливают на шип, который заполняет отверстие в его центре. Название связано с тем, что материал выстреливается через артиллерийский ствол, как снаряд. Поскольку это относительно медленный метод сборки, плутоний нельзя использовать, если это не чистый изотоп 239. Производство плутония без примесей очень сложно и непрактично. Требуемое количество урана относительно велико, а общая эффективность, следовательно, относительно низка. Основная причина этого заключается в том, что уран не подвергается сжатию (и, как следствие, увеличению плотности), как в конструкции с имплозией. Вместо этого, бомбы типа "пушка" собирают сверхкритическую массу, накапливая такое большое количество урана, что средняя длина пути, которую должны пройти дочерние нейтроны, становится настолько большой, что большинство нейтронов с высокой вероятностью столкнутся с ядрами урана до того, как покинут сверхкритическую массу. Впервые ядерное оружие типа "пушка" было рассмотрено в рамках британской программы разработки ядерной бомбы Tube Alloys – первой в мире программы такого рода. В британском отчете MAUD 1941 года указывалось, что "эффективная урановая бомба, содержащая около 25 фунтов активного материала, будет эквивалентна по разрушительному эффекту 1800 тоннам тротила". Бомба должна была использовать конструкцию типа "пушка", "чтобы соединить две половины на высокой скорости, и предлагается сделать это, выстрелив ими вместе с зарядами обычного взрывчатого вещества в виде двойной пушки". Этот метод был применен в четырех известных американских программах. Во-первых, оружие "Малыш" ("Little Boy"), которое было сброшено на Хиросиму, и несколько дополнительных единиц той же конструкции, подготовленных после Второй мировой войны – 40 бомб Mark 8 и их замена, 40 бомб Mark 11. Конструкции Mark 8 и Mark 11 предназначались для использования в качестве проникающих в землю бомб (см. ядерный бункерный пробойник), и некоторое время конструкторы, не уверенные в надежности ранних бомб с имплозией после удара, предпочитали метод "пушки". Второй программой была серия 11-дюймовых (280 мм) ядерных артиллерийских снарядов – W9 и его модификация W19, а также переупакованный W19 в 16-дюймовый (406 мм) снаряд для линкоров ВМС США – W23. Третьей серией был 8-дюймовый (203 мм) артиллерийский снаряд W33. Южно-Африканская Республика также разработала шесть ядерных бомб, основанных на принципе "пушки", и вела работы над ракетными боеголовками с использованием той же базовой конструкции. В настоящее время не известно о наличии оружия типа "пушка" на вооружении: развитые ядерные державы отказались от этой конструкции в пользу оружия с имплозией, оружия с усиленным делением и термоядерного оружия. Новые ядерные державы, как правило, разрабатывают только оружие с усиленным делением и термоядерное оружие. Все известные ядерные орудия типа "пушка", ранее построенные во всем мире, были демонтированы.

Gun type fission weapons are fission based nuclear weapons whose design assembles their fissile material into a supercritical mass by the use of the "gun" method: shooting one piece of sub critical material into another. Although this is sometimes pictured as two sub critical hemispheres driven together to make a supercritical sphere, typically a hollow projectile is shot onto a spike, which fills the hole in its center. Its name is a reference to the fact that it is shooting the material through an artillery barrel as if it were a projectile. Since it is a relatively slow method of assembly, plutonium cannot be used unless it is purely the 239 isotope. Production of impurity free plutonium is very difficult and is impractical. The required amount of uranium is relatively large, and thus the overall efficiency is relatively low. The main reason for this is the uranium metal does not undergo compression (and resulting density increase) as does the implosion design. Instead, gun type bombs assemble the supercritical mass by amassing such a large quantity of uranium that the overall distance through which daughter neutrons must travel has so many mean free paths it becomes very probable most neutrons will find uranium nuclei to collide with, before escaping the supercritical mass. The first time gun type fission weapons were discussed was as part of the British Tube Alloys nuclear bomb development program, the world's first nuclear bomb development program. The British MAUD Report of 1941 laid out how "an effective uranium bomb which, containing some 25 lb of active material, would be equivalent as regards destructive effect to 1,800 tons of T. N. T". The bomb would use the gun type design "to bring the two halves together at high velocity and it is proposed to do this by firing them together with charges of ordinary explosive in a form of double gun". The method was applied in four known US programs. First, the "Little Boy" weapon which was detonated over Hiroshima and several additional units of the same design prepared after World War II, in 40 Mark 8 bombs, and their replacement, 40 Mark 11 bombs. Both the Mark 8 and Mark 11 designs were intended for use as earth penetrating bombs (see nuclear bunker buster), for which the gun type method was preferred for a time by designers who were less than certain that early implosion type weapons would successfully detonate following an impact. The second program was a family of 11 inch (280 mm) nuclear artillery shells, the W9 and its derivative W19, plus a repackaged W19 in a 16 inch (406 mm) shell for US Navy battleships, the W23. The third family was an 8 inch (203 mm) artillery shell, the W33. South Africa also developed six nuclear bombs based on the gun type principle, and was working on missile warheads using the same basic design – See South Africa and weapons of mass destruction. There are currently no known gun type weapons in service: advanced nuclear weapon states tended to abandon the design in favor of the implosion type weapons, boosted fission weapons, and thermonuclear weapons. New nuclear weapon states tend to develop boosted fission and thermonuclear weapons only. All known gun type nuclear weapons previously built worldwide have been dismantled.

Маленький мальчик

Метод "пушки" примерно соответствует принципу работы оружия "Маленький мальчик", которое было взорвано над Хиросимой, с использованием урана-235 в качестве делящегося материала. В конструкции "Маленького мальчика" "пуля" из U-235 имела массу около , была длиной и диаметром . Полая цилиндрическая форма обеспечивала её субкритичность. В качестве движущей силы использовался кордитовый заряд. Мишень из урана имела длину около . И пуля, и мишень состояли из нескольких колец, сложенных вместе. Использование "колец" давало два преимущества: оно позволяло более крупной пуле надёжно оставаться субкритической (полый столб предотвращал чрезмерный контакт материала с другим материалом), а также позволяло испытывать субкритические сборки, используя ту же пулю, но только с одним кольцом. Внутренний диаметр ствола составлял , а его длина – , что позволяло пуле разгоняться до конечной скорости примерно , при условии, что конструкция использует "захват мишени" (то есть обеспечивает, чтобы две субкритические массы, однажды соединенные, не могли разъединиться до взрыва). Учитывая 70 спонтанных делений в секунду, это вызывало задержку всего в несколько раз больше 1/70 секунды, что в данном случае несущественно. Инициаторы были добавлены в "Маленький мальчик" только на поздней стадии разработки.

Распространение и терроризм

Что касается риска распространения и использования террористами, относительно простая конструкция вызывает опасения, так как она не требует такой же высокой точности в разработке и производстве, как другие методы. При наличии достаточного количества высокообогащенного урана, государства или группы с относительно невысоким уровнем технологической оснащенности могут создать неэффективное, но все же достаточно мощное ядерное оружие пушечного типа.

Сравнение с имплозионным методом

Для технологически развитых государств метод пушечного типа теперь, по сути, устарел из-за соображений эффективности и безопасности (как обсуждалось выше). Соединенные Штаты в значительной степени отказались от метода пушечного типа, как только была усовершенствована техника имплозии, хотя некоторое время он сохранялся для специализированной роли ядерной артиллерии. Другие ядерные державы, такие как Соединенное Королевство и Советский Союз, никогда не создавали оружие этого типа. Помимо необходимости использования высокообогащенного урана-235, эта техника имеет и другие серьезные ограничения. Техника имплозии гораздо лучше подходит для различных способов уменьшения веса оружия и увеличения доли расщепляющегося материала. Южно-Африканская Республика построила около пяти орудий пушечного типа и ни одного оружия имплозионного типа. Позже они полностью отказались от своей программы ядерного оружия. Они были уникальны в своем отказе от ядерного оружия и, вероятно, также в том, что создавали оружие пушечного типа, а не имплозионного. Существуют также проблемы безопасности, связанные с оружием пушечного типа. Например, само по себе наличие оружия, содержащего количество и форму делящегося материала, способного образовать критическую массу в результате относительно простой случайности, является опасным. Кроме того, если оружие сброшено с самолета в море, замедляющее действие морской воды также может привести к аварии критичности, даже без физического повреждения оружия. Ни то, ни другое невозможно с оружием имплозионного типа, поскольку обычно недостаточно делящегося материала для формирования критической массы без правильной детонации взрывчатых линз.

Ядерная артиллерия США

Метод пушки также применялся для ядерных артиллерийских снарядов, поскольку более простая конструкция может быть легче спроектирована для выдерживания быстрого ускорения и перегрузок, возникающих при выстреле из артиллерийского орудия, и поскольку меньший диаметр конструкции типа пушки позволяет относительно легко устанавливать её на снаряды, которые могут быть выпущены из существующей артиллерии. Американский ядерный артиллерийский снаряд типа пушки W9 был испытан 25 мая 1953 года на испытательном полигоне в Неваде. В рамках операции «Упшот-Кнотхол» (Upshot–Knothole) и под кодовым названием «Shot GRABLE» был выпущен 280-мм снаряд, который пролетел 10 000 м и взорвался на высоте 160 м над землей с расчетной мощностью 15 килотонн. Это примерно соответствует мощности бомбы Little Boy, хотя вес W9 составлял менее 1/10 веса Little Boy (365 кг против 4000 кг, или 805 фунтов против 8819 фунтов). Длина снаряда составляла 1384 мм. Это был единственный ядерный артиллерийский снаряд, фактически выпущенный (из артиллерийского орудия) в рамках американской испытательной программы. Он был выпущен из специально построенного артиллерийского орудия, получившего прозвище «Атомная Энни». С 1952 по 1953 год было произведено 80 снарядов. Снаряд был снят с вооружения в 1957 году. W19 также был 280-мм ядерным снарядом типа пушки, представлявшим собой удлиненную версию W9. Было произведено 80 боеголовок, а система была выведена из эксплуатации в 1963 году. W33 был меньшим, 8-дюймовым (203 мм) ядерным артиллерийским снарядом типа пушки, производство которого началось в 1957 году и продолжалось до 1992 года. Два снаряда были подвергнуты испытаниям (взрыву, а не выстрелу из артиллерийского орудия), один был подвешен под воздушным шаром на открытом воздухе, а другой – в туннеле. Более поздние версии снаряда были основаны на имплозивной конструкции.