Дизайн ядерного оружия

Первые ядерные взрывные устройства, громоздкие и неэффективные, стали основными конструктивными элементами всех будущих вооружений. Изображенный является Гаджет устройство подготавливается для первого ядерного испытания , Троицы .

Конструкции ядерного оружия являются физические, химические и инженерные механизмы , которые вызывают пакет физики ^[1] в виде ядерного оружия , чтобы взорвать. Существуют три основных типа дизайна:

• чистое ядерное оружие , самое простое и наименее технически сложное, было первым созданным ядерным оружием и до сих пор было единственным типом, когда-либо использовавшимся в военных действиях (в период войны в Японии).
• Ускорительное оружие деления увеличивает выход по сравнению с конструкцией имплозии за счет использования небольших количеств термоядерного топлива для усиления цепной реакции деления. Повышение может более чем удвоить выход энергии деления оружия.
• По сути, ступенчатое термоядерное оружие состоит из двух или более «ступеней», чаще всего двух. Первой ступенью обычно является усиленное оружие деления, как указано выше (за исключением самого раннего термоядерного оружия, в котором вместо этого использовалось чистое оружие деления). Его детонация заставляет его интенсивно светить рентгеновским излучением, которое освещает и взрывает вторую ступень, заполненную большим количеством термоядерного топлива. Это приводит в движение последовательность событий, которая приводит к термоядерному или термоядерному возгоранию. Этот процесс дает потенциальную отдачу в сотни раз больше, чем у оружия деления. ^[2]

Четвертый тип, чисто термоядерное оружие , является теоретической возможностью. Такое оружие будет производить гораздо меньше радиоактивных побочных продуктов, чем существующие конструкции, хотя оно будет выделять огромное количество нейтронов.

Оружие чистого деления исторически было первым типом оружия, созданным новыми ядерными державами. Крупные промышленные государства с хорошо развитыми ядерными арсеналами имеют двухступенчатое термоядерное оружие, которое является наиболее компактным, масштабируемым и экономичным вариантом после создания необходимой технической базы и промышленной инфраструктуры.

Большинство известных инноваций в конструкции ядерного оружия возникло в Соединенных Штатах, хотя некоторые из них были позже независимо разработаны другими государствами. ^[3]

В начале счета новостей, чисто оружие деления называли атомные бомбы или А-бомбы и оружие с участием фьюжн назывались водородные бомбы или водородные бомбы . Однако практики предпочитают термины «ядерный» и «термоядерный» соответственно.

Ядерное оружие
Фон
История Военное дело Дизайн Тестирование Доставка Урожай Эффекты и оцененное megadeaths от взрыва Зима Рабочие Этика Арсеналы Гонка вооружений Шпионаж Распространение Разоружение Терроризм Оппозиция
Ядерные государства
ДНЯО признано США Россия объединенное Королевство Франция Китай Другие Индия Израиль  (необъявленный) Пакистан Северная Корея Бывшая Южная Африка Беларусь Казахстан Украина
v т е

Ядерные реакции [ править ]

Ядерное деление разделяет или расщепляет более тяжелые атомы с образованием более легких атомов. Ядерный синтез объединяет более легкие атомы в более тяжелые атомы. Обе реакции генерируют примерно в миллион раз больше энергии, чем сопоставимые химические реакции, что делает ядерные бомбы в миллион раз более мощными, чем неядерные бомбы, на которые в мае 1939 года был заявлен французский патент ^[4].

В некотором смысле, деление и синтез являются противоположными и взаимодополняющими реакциями, но особенности каждой из них уникальны. Чтобы понять, как устроено ядерное оружие, полезно знать важные сходства и различия между делением и синтезом. В следующем объяснении используются округленные числа и приближения. ^[5]

Деление [ править ]

Когда свободный нейтрон попадает в ядро ​​делящегося атома, такого как уран-235 ( ²³⁵ U), ядро ​​урана распадается на два меньших ядра, называемых осколками деления, плюс еще нейтроны. Деление может быть самоподдерживающимся, потому что оно производит больше нейтронов со скоростью, необходимой для возникновения новых делений.

Ядро U-235 может расщепляться разными способами, при условии, что атомные номера в сумме составляют 92, а атомные массы в сумме составляют 236 (уран плюс дополнительный нейтрон). Следующее уравнение показывает одно возможное разделение, а именно на стронций-95 ( ⁹⁵ Sr), ксенон-139 ( ¹³⁹ Xe) и два нейтрона (n), плюс энергию: ^[6]

${\ displaystyle \ {} ^ {235} \ mathrm {U} + \ mathrm {n} \ longrightarrow {} ^ {95} \ mathrm {Sr} + {} ^ {139} \ mathrm {Xe} +2 \ \ mathrm {n} +180 \ \ mathrm {МэВ}}$

Немедленное выделение энергии на атом составляет около 180 миллионов электрон-вольт (МэВ); т.е. 74 ТДж / кг. Только 7% из них составляет гамма-излучение и кинетическая энергия нейтронов деления. Остальные 93% - это кинетическая энергия (или энергия движения) заряженных осколков деления, разлетающихся друг от друга, взаимно отталкиваемых положительным зарядом их протонов (38 для стронция, 54 для ксенона). Эта начальная кинетическая энергия составляет 67 ТДж / кг, что дает начальную скорость около 12 000 километров в секунду. Высокий электрический заряд заряженных фрагментов вызывает множество неупругих столкновений с соседними атомами, и эти фрагменты остаются захваченными внутри урановой ямы бомбы и вскрываются.пока их движение не превратится в тепло. Это занимает около одной миллионной секунды (микросекунды), за это время ядро ​​бомбы и тампер бомбы расширились до плазмы диаметром несколько метров с температурой в десятки миллионов градусов Цельсия.

Он достаточно горячий, чтобы испускать излучение черного тела в рентгеновском спектре. Эти рентгеновские лучи поглощаются окружающим воздухом, создавая огненный шар и взрыв ядерного взрыва.

Большинство продуктов деления содержат слишком много нейтронов, чтобы быть стабильными, поэтому они радиоактивны в результате бета-распада , превращая нейтроны в протоны, выбрасывая бета-частицы (электроны) и гамма-лучи. Их период полураспада колеблется от миллисекунд до примерно 200 000 лет. Многие из них распадаются на изотопы, которые сами по себе являются радиоактивными, поэтому для достижения стабильности может потребоваться от 1 до 6 (в среднем 3) распадов. ^[7] В реакторах радиоактивными продуктами являются ядерные отходы в отработавшем топливе. В бомбах они становятся радиоактивными осадками, как локальными, так и глобальными.

Между тем, внутри взрывающейся бомбы свободные нейтроны, высвобождаемые при делении, уносят около 3% начальной энергии деления. Кинетическая энергия нейтронов добавляет энергии взрыва бомбы, но не так эффективно, как энергия заряженных осколков, поскольку нейтроны замедляются не так быстро. Основной вклад нейтронов деления в мощность бомбы - инициирование других делений. Более половины нейтронов вылетают из активной зоны бомбы, но остальные ударяются о ядра U-235, вызывая их деление в результате экспоненциально нарастающей цепной реакции (1, 2, 4, 8, 16 и т. Д.). Начиная с одного атома, количество делений может теоретически удвоиться в сто раз за микросекунду, что может потреблять весь уран или плутоний до сотен тонн в сотом звене цепи. На практике бомбы не содержат сотен тонн урана или плутония. Вместо,обычно (в современном оружии) ядро ​​оружия содержит всего около 5 килограммов плутония, из которых только от 2 до 2,5 килограммов, что составляет 40-50 килотонн энергии, подвергается делению, прежде чем ядро ​​разорвется на части.

Удерживание взрывающейся бомбы вместе - величайшая проблема при разработке оружия деления. Теплота деления быстро расширяет ядро ​​деления, раздвигая ядра-мишени и освобождая пространство для выхода нейтронов, не будучи захваченными. Цепная реакция прекращается.

Материалы, которые могут поддерживать цепную реакцию, называются делящимися . В ядерном оружии используются два делящихся материала: U-235, также известный как высокообогащенный уран (ВОУ), ораллой (Oy), что означает сплав Ок-Ридж, или 25 (последние цифры атомного номера, 92 для урана, и атомный вес здесь 235 соответственно); и Pu-239, также известный как плутоний, или 49 (с 94 и 239).

Самый распространенный изотоп урана, U-238, расщепляется, но не расщепляется (это означает, что он не может поддерживать цепную реакцию сам по себе, но может расщепляться быстрыми нейтронами). Его псевдонимы включают природный или необогащенный уран, обедненный уран (DU), трубчатый сплав (Tu) и 28. Он не может поддерживать цепную реакцию, потому что его собственные нейтроны деления недостаточно мощны, чтобы вызвать большее деление U-238. Нейтроны, выделяемые при синтезе, расщепляют U-238. Эта реакция деления U-238 производит большую часть энергии в типичном двухступенчатом термоядерном оружии.

Fusion [ править ]

Термоядерный синтез производит нейтроны, которые рассеивают энергию реакции. ^[8] В оружии наиболее важная реакция синтеза называется реакцией DT. Используя тепло и давление деления, водород-2 или дейтерий ( ² D) сливается с водородом-3 или тритием ( ³ T), образуя гелий-4 ( ⁴ He) плюс один нейтрон (n) и энергию: ^[9]

${\ displaystyle {} ^ {2} \ mathrm {D} + {} ^ {3} \ mathrm {T} \ longrightarrow {} ^ {4} \ mathrm {He} + n + 17,6 \ \ mathrm {МэВ}}$

Общий выход энергии, 17,6 МэВ, составляет одну десятую от энергии деления, но ингредиенты составляют всего одну пятидесятую от массы, поэтому выход энергии на единицу массы примерно в пять раз больше. В этой реакции синтеза 14 из 17,6 МэВ (80% энергии, выделяемой в реакции) проявляются как кинетическая энергия нейтрона, который, не имея электрического заряда и почти такой же массивный, как и ядра водорода, которые его создали, может покинуть место происшествия, не теряя своей энергии, чтобы поддержать реакцию - или генерировать рентгеновские лучи для взрыва и пожара.

Единственный практический способ улавливать большую часть энергии синтеза - улавливать нейтроны внутри массивной бутылки из тяжелого материала, такого как свинец, уран или плутоний. Если нейтрон с энергией 14 МэВ захватывается ураном (любого изотопа; 14 МэВ достаточно для деления как ²³⁵ U, так и ²³⁸ U) или плутония, результатом является деление и выделение 180 МэВ энергии деления, что увеличивает выход энергии в десять раз. .

Для использования в оружии деление необходимо для начала термоядерного синтеза, помогает поддерживать термоядерный синтез, а также улавливать и умножать энергию, переносимую термоядерными нейтронами. В случае нейтронной бомбы (см. Ниже) последний упомянутый фактор не применяется, поскольку цель состоит в том, чтобы облегчить выход нейтронов, а не использовать их для увеличения чистой мощности оружия.

Производство трития [ править ]

Третья важная ядерная реакция - это реакция, при которой образуется тритий , необходимый для типа термоядерного синтеза, используемого в оружии. Тритий или водород-3 получают путем бомбардировки лития-6 ( ⁶ Li) нейтроном (n). Эта нейтронная бомбардировка вызовет расщепление ядра лития-6 с образованием гелия- 4 ( ⁴ He) плюс тритий ( ³ T) и энергии: ^[9]

${\ displaystyle {} ^ {6} \ mathrm {Li} + n \ longrightarrow {} ^ {4} \ mathrm {He} + {} ^ {3} \ mathrm {T} +5 \ \ mathrm {МэВ}}$

Ядерный реактор необходим для получения нейтронов, если тритий должен быть доставлен до использования оружия. Преобразование лития-6 в тритий в промышленных масштабах очень похоже на преобразование урана-238 в плутоний-239. В обоих случаях исходный материал помещается внутрь ядерного реактора и по прошествии некоторого времени удаляется для обработки.

В качестве альтернативы, нейтроны от реакций синтеза на более ранних стадиях могут быть использованы для деления лития-6 (например, в форме дейтерида лития ) и образования трития во время детонации. Такой подход снижает количество топлива на основе трития в оружии. ^[10]

Деление одного атома плутония высвобождает в десять раз больше полной энергии, чем синтез одного атома трития. По этой причине тритий включается в компоненты ядерного оружия только тогда, когда он вызывает большее количество деления, чем его производственные жертвы, а именно в случае деления с ускорением термоядерного синтеза.

Из четырех основных типов ядерного оружия первый, чистое деление, использует первую из трех ядерных реакций, описанных выше. Второе деление, усиленное термоядерным синтезом, использует первые два. Третий, двухступенчатый термоядерный, использует все три.

Оружие чистого деления [ править ]

Первая задача конструкции ядерного оружия - быстро собрать сверхкритическую массу делящегося урана или плутония. Сверхкритическая масса - это масса, при которой процент нейтронов, образующихся при делении, захваченных другим делящимся ядром, достаточно велик, чтобы каждое событие деления в среднем приводило к более чем одному дополнительному событию деления.

Как только критическая масса собрана при максимальной плотности, подается поток нейтронов, чтобы запустить как можно больше цепных реакций. В раннем оружии использовался модулированный нейтронный генератор под кодовым названием « Urchin » внутри ямы, содержащей полоний- 210 и бериллий, разделенных тонкой перегородкой. Взрыв ямы раздавил нейтронный генератор, смешав два металла, тем самым позволив альфа-частицам полония взаимодействовать с бериллием с образованием свободных нейтронов. В современном оружии генератор нейтронов представляет собой высоковольтную вакуумную трубку, содержащую ускоритель частиц, который бомбардирует дейтерий / тритий-металлгидридную мишень ионами дейтерия и трития.. Получающийся в результате мелкомасштабный синтез производит нейтроны в защищенном месте за пределами физического пакета, из которого они проникают в яму. Этот метод позволяет лучше контролировать время начала цепной реакции.

Критическая масса несжатой сферы из чистого металла составляет 50 кг (110 фунтов) для урана-235 и 16 кг (35 фунтов) для плутония-239 в дельта-фазе. В практических приложениях количество материала, необходимого для обеспечения критичности, изменяется в зависимости от формы, чистоты, плотности и близости к отражающему нейтроны материалу , и все это влияет на выход или захват нейтронов.

Чтобы избежать цепной реакции во время обращения, делящийся материал в оружии должен быть подкритическим перед взрывом. Он может состоять из одного или нескольких компонентов, каждый из которых содержит менее одной критической массы в несжатом состоянии. Тонкая полая оболочка может иметь критическую массу, превышающую критическую массу голой сферы, как и цилиндр, который может быть сколь угодно длинной, не достигая критичности.

Вскрытия является дополнительным слоем из плотного материала , окружающего делящегося материала. Из-за своей инерции он задерживает расширение реагирующего материала, повышая эффективность оружия. Часто один и тот же слой служит тампером и отражателем нейтронов.

Сборочное оружие пушечного типа [ править ]

Little Boy , бомба в Хиросиме, использовала 64 кг (141 фунт) урана со средним обогащением около 80%, или 51 кг (112 фунтов) U-235, что примерно соответствует критической массе чистого металла. (См. Подробный чертеж в статье Little Boy .) При сборке внутри тампера / отражателя из карбида вольфрама масса 64 кг (141 фунт) превышала критическую массу более чем в два раза. Перед взрывом уран-235 был разделен на две подкритические части, одна из которых позже была выпущена в ствол орудия, чтобы соединиться с другой, что привело к ядерному взрыву. Анализ показывает, что делению подверглось менее 2% массы урана; ^[11] оставшаяся часть, представляющая большую часть всей продукции военного времени на гигантских заводах Y-12 в Ок-Ридже, разбросана без толку.^[12]

Неэффективность была вызвана скоростью, с которой несжатый делящийся уран расширялся и становился докритическим из-за уменьшения плотности. Несмотря на свою неэффективность, эта конструкция из-за ее формы была адаптирована для использования в цилиндрических артиллерийских снарядах малого диаметра ( боеголовка пушечного типа, стреляющая из ствола гораздо более крупной пушки). Такие боеголовки были развернуты в Соединенных Штатах до 1992 года, составляя значительную долю U-235 в арсенале, и были одними из первых видов оружия, демонтированных в соответствии с договорами, ограничивающими количество боеголовок. Обоснованием этого решения, несомненно, была комбинация меньшей мощности и серьезных проблем безопасности, связанных с конструкцией орудийного типа.

Оружие имплозивного типа [ править ]

И для устройства «Тринити», и для « Толстяка» , бомбы Нагасаки, использовались почти идентичные конструкции деления плутония посредством имплозии. В устройстве «Толстяк» специально использовалось 6,2 кг (14 фунтов), объемом около 350 мл или 12 жидких унций США, Pu-239 , что составляет всего 41% критической массы голой сферы. (См. Подробный рисунок в статье « Толстяк» .) В окружении U-238отражатель / тампер, яма Толстяка была доведена до критической массы благодаря нейтронно-отражающим свойствам U-238. Во время детонации критичность достигалась за счет взрыва. Плутониевую яму сжимали для увеличения ее плотности путем одновременной детонации, как и в случае испытательного взрыва "Тринити" тремя неделями ранее, обычных взрывчатых веществ, равномерно размещенных вокруг ямы. Взрывчатка приводилась в действие множественными взрывающимися мостиками-детонаторами . По оценкам, только около 20% плутония подверглось делению; остальные, около 5 кг (11 фунтов), были разбросаны.

Ударная волна имплозии может иметь такую ​​короткую продолжительность, что только часть ямы сжимается в любой момент, когда волна проходит через нее. Чтобы этого не произошло, может понадобиться толкатель. Толкатель расположен между взрывной линзой и тампером. Он работает, отражая часть ударной волны назад, тем самым увеличивая ее продолжительность. Он сделан из - за низкой плотности металла - такие , как алюминий , бериллий , или сплава двух металлов (алюминий легче и безопаснее форме, а на два порядка дешевле, бериллий обладает высокой нейтрон-отражательной способности). Толстяк использовал алюминиевый толкатель.

Серия экспериментов RaLa по испытаниям концепции конструкции оружия деления имплозивного типа, проводившаяся с июля 1944 по февраль 1945 года в лаборатории Лос-Аламоса и удаленном месте в 14,3 км (9 милях) к востоку от нее в каньоне Байо, доказала практичность Дизайн имплозии для устройства деления, испытания в феврале 1945 года положительно определили его пригодность для окончательного проекта имплозии плутония Trinity / Fat Man. ^[13]

Ключом к большей эффективности Толстяка был внутренний импульс массивного тампера U-238. (Тампер из природного урана не подвергался делению тепловыми нейтронами, но вносил, возможно, 20% общего выхода от деления быстрыми нейтронами). Как только цепная реакция началась в плутонии, импульс имплозии должен был быть изменен, прежде чем расширение могло остановить деление. Удерживая все вместе еще несколько сотен наносекунд, эффективность была увеличена.

Плутониевый карьер [ править ]

Ядро имплозивного оружия - делящийся материал и любой связанный с ним отражатель или тампер - известен как яма . Некоторые виды оружия испытанные в течение 1950 - х годов используются ямы , сделанные с U-235 в одиночку или в композит с плутонием , ^[14] , но все-плутоний ямы наименьший диаметр и были стандартом с начала 1960 - х годов.

Отливка и последующая обработка плутония затруднены не только из-за его токсичности, но и из-за того, что плутоний имеет множество различных металлических фаз . По мере охлаждения плутония изменения фазы приводят к искажению и растрескиванию. Это искажение обычно преодолевается путем легирования его 30–35 ммоль (0,9–1,0% по весу) галлием с образованием плутоний-галлиевого сплава , который заставляет его поглощать свою дельта-фазу в широком диапазоне температур. ^[15] При охлаждении из расплава он имеет только одно фазовое изменение, от эпсилон на дельта, вместо четырех изменений, через которые оно могло бы пройти в противном случае. Другие трехвалентные металлы также подойдут, но галлий имеет небольшое сечение поглощения нейтронов.и помогает защитить плутоний от коррозии . Недостатком является то, что соединения галлия являются коррозионными, и поэтому, если плутоний извлекается из демонтированного оружия для преобразования в диоксид плутония для энергетических реакторов , удаление галлия затруднено.

Поскольку плутоний химически активен, обычно покрывают законченную яму тонким слоем инертного металла, что также снижает опасность отравления. ^[16] В устройстве применено гальваническое серебряное покрытие; впоследствии использовался никель, осажденный из паров тетракарбонила никеля , ^[16] долгие годы предпочитали золото . ^{[ необходима цитата ]} Последние разработки улучшают безопасность за счет покрытия ямок ванадием, чтобы сделать ямы более огнестойкими.

Взрыв левитирующей ямы [ править ]

Первым усовершенствованием конструкции Fat Man было создание воздушного пространства между трамбовкой и ямой для создания удара молотком по гвоздю. Яма, опирающаяся на полый конус внутри тамперной полости, как утверждается, левитировала. В трех испытаниях операции «Песчаник» в 1948 году использовались конструкции Толстяка с левитирующими ямами. Самый большой урожай составил 49 килотонн, что более чем в два раза больше, чем у неподготовленного Толстяка. ^[17]

Сразу стало ясно, что имплозия - лучший вариант для оружия деления. Единственным его недостатком, казалось, был диаметр. Толстяк был 1,5 метра (5 футов) в ширину против 61 сантиметра (2 фута) у Маленького мальчика.

Одиннадцать лет спустя конструкции имплозии были настолько развиты, что сфера Толстяка диаметром 1,5 метра (5 футов) была уменьшена до цилиндра диаметром 0,3 метра (1 фут) и длиной 0,61 метра (2 фута), устройство Лебедя. .

Яма с Pu-239 Толстяка была всего 9,1 сантиметра (3,6 дюйма) в диаметре, размером с мяч для софтбола. Основную часть обхвата Толстяка составлял механизм имплозии, а именно концентрические слои из U-238, алюминия и взрывчатых веществ. Ключом к уменьшению этого обхвата была конструкция с двухточечным сжатием.

Двухточечная линейная имплозия [ править ]

При двухточечной линейной имплозии ядерное топливо отливается в твердую форму и помещается в центр баллона с взрывчатым веществом. Детонаторы размещаются на обоих концах взрывного цилиндра, а пластинчатая вставка или формирователь помещается во взрывчатое вещество прямо внутри детонаторов. Когда детонаторы запускаются, начальная детонация захватывается между формирователем и концом цилиндра, заставляя его перемещаться к краям формирователя, где он дифрагирует по краям в основной массе взрывчатого вещества. Это заставляет детонацию формировать кольцо, которое движется внутрь от формирователя. ^[18]

Из-за отсутствия тампера или линз для формирования прогрессии детонация не достигает ямы в сферической форме. Для получения желаемого сферического взрыва сам делящийся материал имеет такую ​​же форму. Из-за физики распространения ударной волны во взрывчатой ​​массе это требует, чтобы яма имела продолговатую форму, примерно яйцевидную. Ударная волна сначала достигает ямы на ее концах, загоняя их внутрь и заставляя массу принимать сферическую форму. Ударная волна также может изменить плутоний из дельта-фазы в альфа-фазу, увеличив его плотность на 23%, но без внутреннего импульса истинной имплозии.

Отсутствие сжатия делает такие конструкции неэффективными, но простота и малый диаметр делают их пригодными для использования в артиллерийских снарядах и боеприпасах для атомной бомбардировки - ADM - также известных как ранцевые или чемоданные ядерные боеприпасы ; Примером может служить артиллерийский снаряд W48 , самое маленькое ядерное оружие, когда-либо построенное или развернутое. Все такое маломощное оружие поля боя, будь то конструкции пушечного типа U-235 или конструкции с линейным имплозивным пулеметом Pu-239, требует высокой цены в виде расщепляющегося материала для достижения диаметра от шести до десяти дюймов (15 и 25 см).

Список американского линейного взрывного оружия [ править ]

Артиллерия

• W48 (1963–1992)
• W74 (отменено)
• W75 (отменено)
• W79 Mod 1 (1976–1992)
• W82 Mod 1 (отменен)

Двухточечная имплозия в полой яме [ править ]

Более эффективная двухточечная система имплозии использует две фугасные линзы и полую яму.

Полая плутониевая яма была первоначальным планом бомбы «Толстяк» 1945 года, но не было достаточно времени, чтобы разработать и испытать для нее имплозионную систему. Более простая конструкция со сплошным карьером считалась более надежной, учитывая нехватку времени, но для этого требовался тяжелый трамблер U-238, толстый алюминиевый толкатель и три тонны взрывчатки.

После войны возродился интерес к конструкции котлована. Его очевидное преимущество состоит в том, что полая плутониевая оболочка, деформированная ударом и направленная внутрь к своему пустому центру, будет передавать импульс в свою бурную сборку в виде твердой сферы. Это будет самозаклинивающийся, требующий меньшего тампера U-238, без алюминиевого толкателя и менее взрывчатого вещества.

Бомба «Толстяк» состояла из двух концентрических сферических снарядов из фугасного вещества, каждая толщиной около 25 см (10 дюймов). Внутренняя оболочка вызвала взрыв. Внешняя оболочка состояла из 32-х фугасных линз, напоминающих футбольный мяч , каждая из которых преобразовывала выпуклую волну от своего детонатора в вогнутую волну, соответствующую контуру внешней поверхности внутренней оболочки. Если бы эти 32 линзы можно было заменить только двумя, взрывоопасная сфера могла бы стать эллипсоидом (вытянутым сфероидом) с гораздо меньшим диаметром.

Хорошей иллюстрацией этих двух особенностей является рисунок 1956 года из шведской программы ядерного оружия (которая была прекращена до того, как был произведен испытательный взрыв). На чертеже показаны основные элементы конструкции двухточечного котлована. ^{[ необходима цитата ]}

Подобные рисунки есть в открытой литературе из французской программы, которая произвела арсенал. ^{[ необходима цитата ]}

Механизм фугасной линзы (позиция 6 на схеме) не показан на шведском рисунке, но стандартная линза, сделанная из быстрой и медленной фугасной взрывчатки, как в Fat Man, будет намного длиннее, чем изображенная форма. Чтобы одна линза фугасного вещества могла генерировать вогнутую волну, охватывающую все полушарие, она должна быть либо очень длинной, либо часть волны на прямой линии от детонатора до ямы должна быть резко замедлена.

Медленное взрывчатое вещество слишком быстро, а летающая пластина «воздушной линзы» - нет. Металлическая пластина, деформированная ударом и толкаемая через пустое пространство, может быть сконструирована так, чтобы двигаться достаточно медленно. ^{[19] [20]} Двухточечная система имплозии с использованием технологии воздушной линзы может иметь длину не более чем в два раза больше диаметра, как на шведской диаграмме выше.

Оружие деления, усиленное термоядерным синтезом [ править ]

Следующим шагом в миниатюризации было ускорение деления ямы, чтобы уменьшить минимальное время инерционного удержания. Это позволило бы эффективно расщеплять топливо с меньшей массой в виде тампера или самого топлива. Ключом к достижению более быстрого деления было бы введение большего количества нейтронов, и среди многих способов сделать это добавить реакцию синтеза было относительно легко в случае полой ямы.

Самая легкая реакция синтеза достигается в смеси 50–50 трития и дейтерия. ^[21] Для экспериментов по мощности термоядерного синтеза эту смесь необходимо выдерживать при высоких температурах в течение относительно длительного времени, чтобы реакция была эффективной. Однако для взрывного использования цель состоит не в том, чтобы произвести эффективный синтез, а просто обеспечить дополнительные нейтроны на ранней стадии процесса. Поскольку ядерный взрыв является сверхкритическим, любые дополнительные нейтроны будут умножаться за счет цепной реакции, поэтому даже небольшие количества, введенные раньше, могут иметь большое влияние на конечный результат. По этой причине даже относительно низкие значения давления и времени сжатия (в терминах термоядерного синтеза), обнаруженные в центре боеголовки с полой ямой, достаточны для создания желаемого эффекта.

В форсированной конструкции термоядерное топливо в газовой форме закачивается в котлован при постановке на охрану. Он превратится в гелий и выпустит свободные нейтроны вскоре после начала деления. ^[22] Нейтроны запустят большое количество новых цепных реакций, пока яма все еще критическая или почти критическая. После того, как полая яма доведена до совершенства, мало причин для отказа от форсировки; дейтерий и тритий легко производятся в необходимых небольших количествах, а технические аспекты тривиальны. ^[21]

Концепция сплавления увеличили деления впервые была испытана на 25 мая 1951 года, в Item выстреле операция теплицы , Эниветки , выход 45,5 килотонн.

Повышение диаметра уменьшает диаметр тремя способами, и все это результат более быстрого деления:

• Поскольку сжатую яму не нужно удерживать вместе так долго, массивный тампер U-238 можно заменить легкой бериллиевой оболочкой (для отражения уходящих нейтронов обратно в яму). Диаметр уменьшен.
• Массу ямы можно уменьшить вдвое, не снижая урожайности. Диаметр снова уменьшен.
• Поскольку масса взрываемого металла (тампер плюс яма) уменьшается, требуется меньший заряд взрывчатого вещества, что еще больше уменьшает диаметр.

Поскольку для достижения полной проектной доходности требуется усиление, любое его снижение снижает доходность. Таким образом, усиленное оружие - это оружие переменной мощности (также известное как dial-a-yield); выход может быть уменьшен в любое время до взрыва, просто уменьшив количество дейтерия / трития, вводимого в яму во время процедуры включения. ^[23]

Первым устройством, размеры которого предполагают использование всех этих функций (двухточечная, полая яма, имплозия с ускорением плавления), было устройство Swan . Он имел цилиндрическую форму диаметром 11,6 дюйма (29 см) и длиной 22,8 дюйма (58 см).

Сначала он был испытан автономно, а затем в качестве основного двухступенчатого термоядерного устройства во время операции Redwing . Он был использован в качестве первичного звена Робина и стал первым серийным, многоцелевым первичным звеном и прототипом для всего последующего.

После успеха Swan, 11 или 12 дюймов (28 или 30 см), казалось, стали стандартным диаметром одноступенчатых устройств с наддувом, испытанных в 1950-х годах. Длина обычно была вдвое больше диаметра, но одно такое устройство, которое стало боеголовкой W54 , было ближе к сфере, всего 15 дюймов (38 см) в длину. Перед развертыванием он был испытан два десятка раз в период 1957–62 годов. Ни у одной другой конструкции не было такой длинной череды неудачных испытаний.

Одним из применений W54 стал безоткатный снаряд Davy Crockett XM-388 . Он имел размер всего 11 дюймов (28 см) и показан здесь в сравнении с его предшественником Fat Man (60 дюймов (150 см)).

Еще одно преимущество усиления, помимо того, что оно делает оружие меньше, легче и содержит меньше расщепляющегося материала при заданной мощности, заключается в том, что оно делает оружие невосприимчивым к радиационным помехам (РИ). В середине 1950-х годов было обнаружено, что плутониевые ямы будут особенно восприимчивы к частичной преддетонации, если подвергнуться интенсивному излучению близлежащего ядерного взрыва (электроника также могла быть повреждена, но это была отдельная проблема). РИ была особой проблемой до появления эффективных радарных систем раннего предупреждения, потому что атака с первого удара могла сделать ответное оружие бесполезным. Усиление снижает количество плутония, необходимого в оружии, до уровня ниже количества, которое было бы уязвимо для этого эффекта.

Двухступенчатое термоядерное оружие [ править ]

Оружие деления с чистым делением или усиленное термоядерным синтезом может производить сотни килотонн при больших расходах расщепляющегося материала и трития, но, безусловно, наиболее эффективный способ увеличить мощность ядерного оружия выше десяти или около того килотонн - это добавить вторую независимую ступень. , называется второстепенным.

В 1940-х конструкторы бомбы в Лос-Аламосе думали, что вторичным будет баллон с дейтерием в сжиженной или гидридной форме. Реакция синтеза будет DD, более труднодостижимой, чем DT, но более доступной. Бомба деления на одном конце будет сжимать и нагревать ближний конец, а термоядерный синтез распространяется через контейнер к дальнему концу. Математическое моделирование показало, что это не сработает даже с добавлением большого количества дорогостоящего трития.

Весь контейнер с термоядерным топливом должен быть охвачен энергией деления, чтобы сжать и нагреть его, как в случае с бустерным зарядом в форсированной первичной обмотке. Прорыв в конструкции произошел в январе 1951 года, когда Эдвард Теллер и Станислав Улам изобрели радиационную имплозию - в течение почти трех десятилетий известную публично только как секрет водородной бомбы Теллера-Улама . ^{[24] [25]}

Концепция радиационной имплозии была впервые испытана 9 мая 1951 года в кадре Джорджа из Operation Greenhouse , Эниветок, мощностью 225 килотонн. Первое полное испытание было 1 ноября 1952 года, выстрел Майка из Operation Ivy , Eniwetok, дал 10,4 мегатонны.

При радиационной имплозии выброс рентгеновской энергии, исходящей от взрывающейся первичной обмотки, улавливается и удерживается внутри радиационного канала с непрозрачными стенками, который окружает компоненты ядерной энергии вторичной обмотки. Излучение быстро превращает пенопласт, который заполнял канал, в плазму, которая в основном прозрачна для рентгеновских лучей, и излучение поглощается во внешних слоях толкателя / тампера, окружающего вторичную обмотку, которая аблирует и прикладывает огромную силу. ^[26](очень похоже на вывернутый наизнанку ракетный двигатель), в результате чего капсула с термоядерным топливом взорвалась, как яма первичной обмотки. Когда вторичная обмотка взрывается, делящаяся «свеча зажигания» в ее центре воспламеняется и выделяет нейтроны и тепло, которые позволяют термоядерному топливу с дейтеридом лития производить тритий и также воспламеняться. Цепные реакции деления и синтеза обмениваются нейтронами друг с другом и повышают эффективность обеих реакций. Большая сила имплозии, повышенная эффективность делящейся «свечи зажигания» за счет усиления нейтронами термоядерного синтеза и сам термоядерный взрыв обеспечивают значительно больший выход взрывчатого вещества из вторичной обмотки, несмотря на то, что часто она не намного больше первичной.

Например, для теста Redwing Mohawk 3 июля 1956 года вторичный, называемый Флейтой, был присоединен к первичному элементу Swan. Флейта была 15 дюймов (38 см) в диаметре и 23,4 дюйма (59 см) в длину, что примерно соответствовало размеру Лебедя. Но он весил в десять раз больше и давал в 24 раза больше энергии (355 килотонн против 15 килотонн).

Не менее важно, что активные ингредиенты Флейты, вероятно, стоят не дороже, чем ингредиенты Лебедя. Большая часть деления происходила из дешевого U-238, а тритий производился на месте во время взрыва. Только свеча зажигания на оси вторичной обмотки должна была быть делящейся.

Сферическая вторичная обмотка может достигать более высокой плотности имплозии, чем цилиндрическая вторичная обмотка, потому что сферическая имплозия проталкивается со всех направлений к одному и тому же месту. Однако в боеголовках мощностью более одной мегатонны диаметр сферической вторичной обмотки был бы слишком большим для большинства применений. В таких случаях необходима цилиндрическая вторичная обмотка. Небольшие конусообразные возвращаемые аппараты в баллистических ракетах с несколькими боеголовками после 1970 года, как правило, имели боеголовки со сферическими вторичными частями и мощностью в несколько сотен килотонн.

Как и в случае с форсированием, преимущества двухступенчатой ​​термоядерной конструкции настолько велики, что мало стимулов не использовать ее, как только нация овладеет этой технологией.

С инженерной точки зрения, радиационная имплозия позволяет использовать некоторые известные особенности материалов ядерных бомб, которые до сих пор не находили практического применения. Например:

• Оптимальный способ хранить дейтерий в достаточно плотном состоянии - это химически связать его с литием в виде дейтерида лития. Но изотоп лития-6 также является сырьем для производства трития, а взрывающаяся бомба - это ядерный реактор. Радиационный взрыв будет удерживать все вместе достаточно долго, чтобы обеспечить полное превращение лития-6 в тритий, пока бомба взорвется. Таким образом, связующий агент для дейтерия позволяет использовать реакцию синтеза DT без какого-либо предварительно изготовленного трития, хранящегося во вторичной обмотке. Ограничение производства трития исчезает.
• Для того, чтобы вторичная обмотка была сжата окружающей ее горячей, индуцированной излучением плазмой, она должна оставаться холодной в течение первой микросекунды, т. Е. Должна быть заключена в массивный радиационный (тепловой) экран. Массивность щита позволяет ему выполнять функцию тампера, добавляя импульс и продолжительность взрыва. Нет материала, подходящего лучше для обеих этих задач, чем обычный дешевый уран-238, который также подвергается делению под действием нейтронов, образующихся в результате DT-синтеза. Таким образом, кожух, называемый толкателем, выполняет три функции: охлаждение вторичной обмотки; удерживать его по инерции в сильно сжатом состоянии; и, наконец, служить главным источником энергии для всей бомбы. Расходуемый толкатель делает бомбу больше похожей на бомбу деления урана, чем на водородную термоядерную бомбу. Инсайдеры никогда не использовали термин «водородная бомба».^[27]
• Наконец, тепло для воспламенения от плавления исходит не от первичной обмотки, а от второй бомбы деления, называемой свечой зажигания, встроенной в сердце вторичной обмотки. Имплозия вторичной обмотки взрывает эту свечу зажигания, взрывая ее и воспламеняя материал вокруг нее, но свеча зажигания затем продолжает делиться в среде, богатой нейтронами, до тех пор, пока она полностью не сгорит, что значительно увеличивает выход. ^[28]

Первоначальным толчком к созданию двухступенчатого оружия стало обещание президента Трумэна в 1950 году создать 10-мегатонную водородную супербомбу в качестве ответа США на испытание в 1949 году первой советской бомбы деления. Но появившееся изобретение оказалось самым дешевым и компактным способом создания небольших ядерных бомб, а также больших, стирая любое значимое различие между атомными бомбами и водородными бомбами, а также между ускорителями и суперсистемами. Все предпочтительные методы взрывов деления и термоядерного синтеза объединены в один всеобъемлющий, полностью масштабируемый принцип конструкции. Даже ядерные артиллерийские снаряды диаметром 6 дюймов (150 мм) могут быть двухступенчатыми термоядрами. ^{[ необходима цитата ]}

В последующие пятьдесят лет никто не придумал более эффективного способа создания ядерной бомбы. Это предпочтительный вариант для Соединенных Штатов, России, Великобритании, Китая и Франции, пяти термоядерных держав. 3 сентября 2017 года Северная Корея провела, как сообщалось, первое «двухэтапное испытание термоядерного оружия». ^[29] По словам доктора Теодора Тейлора , после просмотра просочившихся фотографий разобранных компонентов оружия, сделанных до 1986 года, Израиль обладал усиленным оружием и потребовал бы суперкомпьютеры той эпохи для дальнейшего продвижения к полному двухступенчатому оружию в мегатонном диапазоне без ядерных испытательных взрывов. . ^[30]У других ядерных держав, Индии и Пакистана, вероятно, есть одноступенчатое оружие, возможно, усиленное. ^[28]

Interstage [ править ]

В двухступенчатом термоядерном оружии энергия первичной обмотки воздействует на вторичную. Существенный модулятор передачи энергии, называемый промежуточным этапом, между первичной и вторичной обмоткой, защищает термоядерное топливо вторичной цепи от слишком быстрого нагрева, что может привести к его взрыву в результате обычного (и небольшого) теплового взрыва до того, как реакции синтеза и деления получат шанс. начать.

В открытой литературе очень мало информации о механизме перехода. Его первое упоминание в правительственном документе США, официально выпущенном для широкой публики, похоже, является подписью на графике, рекламирующей Программу надежной замены боеголовок в 2007 году. В случае создания эта новая конструкция заменит «токсичный, хрупкий материал» и «дорогостоящий« специальный ». материал »в промежуточной. ^[31] Это утверждение предполагает, что промежуточная ступень может содержать бериллий для уменьшения потока нейтронов от первичной обмотки и, возможно, что-то для поглощения и повторного излучения рентгеновских лучей определенным образом. ^[32] Есть также некоторые предположения, что этот межэтапный материал, который может иметь кодовое название FOGBANK , может быть аэрогелем., возможно, с примесью бериллия и / или других веществ. ^{[33] [34]}

Промежуточный каскад и вторичный элемент заключены вместе внутри мембраны из нержавеющей стали, образуя герметичный подсборочный узел (CSA), расположение которого никогда не было изображено ни на одном чертеже с открытым исходным кодом. ^[35] Самая подробная иллюстрация межэтапного интервала показывает британское термоядерное оружие со скоплением предметов между его первичной и цилиндрической вторичной обмотками. Они имеют маркировку «торцевая крышка и линза нейтронного фокуса», «отражатель / лафет нейтронной пушки» и «обертка отражателя». Происхождение рисунка, размещенного в Интернете организацией «Гринпис», неясно, и нет сопутствующего объяснения. ^[36]

Конкретные конструкции [ править ]

Хотя каждая конструкция ядерного оружия попадает в одну из вышеперечисленных категорий, конкретные конструкции иногда становятся предметом новостей и публичных обсуждений, часто с неправильным описанием того, как они работают и что они делают. Примеры:

Водородные бомбы [ править ]

Хотя все современное ядерное оружие (как деление, так и синтез) в какой-то мере использует DT-синтез, в общественном восприятии водородные бомбы являются многомегатонными устройствами, в тысячу раз более мощными, чем «Маленький мальчик» из Хиросимы. Такие высокопроизводительные бомбы на самом деле представляют собой двухступенчатые термоядры, увеличенные до желаемой мощности, с делением урана, как обычно, обеспечивающим большую часть их энергии.

Идея водородной бомбы впервые привлекла внимание общественности в 1949 году, когда видные ученые открыто рекомендовали не создавать ядерные бомбы, более мощные, чем стандартная модель чистого деления, как по моральным, так и по практическим соображениям. Их предположение состояло в том, что соображения критической массы ограничат потенциальный размер взрывов деления, но что термоядерный взрыв может быть таким же большим, как и запас топлива, у которого нет предела критической массы. В 1949 году Советы взорвали свою первую бомбу деления, а в 1950 году президент США Гарри С. Трумэн завершил дебаты о водородной бомбе, приказав конструкторам Лос-Аламоса построить такую ​​бомбу.

В 1952 году взрыв Айви Майка мощностью 10,4 мегатонны был объявлен первым испытанием водородной бомбы, что подтвердило идею о том, что водородные бомбы в тысячу раз мощнее, чем бомбы деления.

В 1954 г. Роберт Оппенгеймер был объявлен противником водородной бомбы. Общественность не знала, что существует два типа водородных бомб (ни одна из которых точно не описывается как водородная бомба). 23 мая, когда его допуск к системе безопасности был аннулирован, третьим пунктом из четырех публичных выводов против него было «его поведение в программе водородной бомбы». В 1949 году Оппенгеймер поддержал одноступенчатые бомбы деления с термоядерным ускорителем, чтобы максимизировать взрывную мощность арсенала с учетом компромисса между производством плутония и трития. Он выступал против двухступенчатых термоядерных бомб до 1951 года, когда радиационная имплозия, которую он называл «технически сладкой», впервые сделала их практичными. Сложность его положения не была раскрыта общественности до 1976 года, через девять лет после его смерти. ^[37]

Когда в 1960-х годах на смену бомбардировщикам пришли баллистические ракеты, большинство многомегатонных бомб были заменены ракетными боеголовками (также двухступенчатыми термоядерными), уменьшенными до одной мегатонны или меньше.

Будильник / Слойка [ править ]

Первой попыткой использовать симбиотические отношения между делением и синтезом была конструкция 1940-х годов, в которой топливо деления и термоядерного синтеза смешивалось в чередующихся тонких слоях. В качестве одноступенчатого устройства это было бы громоздким применением ускоренного деления. Впервые он стал практичным, когда был включен во вторичную обмотку двухступенчатого термоядерного оружия. ^[38]

Американское название «Будильник» пришло от Теллера: он назвал его так, потому что он мог «разбудить мир», открыв возможность раскрыть потенциал Супер. ^[39] Русское название для той же конструкции было более описательным: слойки ( русский : Слойка ), слоистая тесто торт. Одноступенчатая советская «Слойка» была испытана 12 августа 1953 года. Одноступенчатая американская версия не тестировалась, но союзный снимок операции «Замок» 26 апреля 1954 года представлял собой двухступенчатое термоядерное устройство под кодовым названием «Будильник». Его урожайность в Бикини составила 6,9 мегатонн.

Поскольку в советском испытании «Слойка» использовался сухой дейтерид лития-6 за восемь месяцев до первого испытания в США (Castle Bravo, 1 марта 1954 г.), иногда утверждалось, что СССР выиграл гонку водородных бомб, хотя Соединенные Штаты испытал и разработал первую водородную бомбу: испытание водородной бомбы Айви Майка. В тесте Ivy Mike в США в 1952 году в качестве термоядерного топлива во вторичной обмотке использовался криогенно охлажденный жидкий дейтерий, а также использовалась реакция термоядерного синтеза. Однако первое советское испытание, в котором использовалась взорванная радиацией вторичная обмотка, что является важной особенностью настоящей водородной бомбы, было проведено 23 ноября 1955 года, через три года после Айви Майка. Фактически, настоящая работа над схемой имплозии в Советском Союзе началась только в самом начале 1953 года, через несколько месяцев после успешного испытания «Слойки».

Чистые бомбы [ править ]

1 марта 1954 года в результате крупнейшего в истории США испытательного ядерного взрыва, выстрела « Браво» мощностью 15 мегатонн в ходе операции «Замок» на атолле Бикини, смертельная доза выпадений продуктов деления была доставлена ​​на более чем 6000 квадратных миль (16000 км ² ) Поверхность Тихого океана. ^[40] Радиационные травмы жителей Маршалловых островов и японских рыбаков сделали этот факт достоянием общественности и выявили роль деления в водородных бомбах.

В ответ на общественную тревогу по поводу радиоактивных осадков была предпринята попытка разработать чистое многомегатонное оружие, почти полностью полагающееся на термоядерный синтез. Энергия, вырабатываемая при расщеплении необогащенного природного урана , при использовании в качестве тамперного материала на вторичной и последующих стадиях конструкции Теллера-Улама, может намного превышать энергию, выделяемую при синтезе, как это было в случае испытания Castle Bravo . Замена делящегосяматериал в тампере с другим материалом необходим для создания «чистой» бомбы. В таком устройстве тампер больше не дает энергии, поэтому при любом заданном весе чистая бомба будет иметь меньшую мощность. Самый ранний известный случай испытания трехступенчатого устройства, в котором третья стадия, называемая третичной, зажигается вторичной, произошла 27 мая 1956 года в устройстве для фагота. Это устройство было протестировано в кадре зуни в операции «Редвинг» . В этом выстреле использовались неделящиеся тамперы; использовался инертный материал-заменитель, такой как вольфрам или свинец. Его выход составлял 3,5 мегатонны, 85% термоядерного синтеза и только 15% деления.

Публичные записи об устройствах, которые производили наибольшую долю своей мощности в результате реакций термоядерного синтеза, - это мирные ядерные взрывы 1970-х годов, при этом 3 взрыва, которые привели к раскопкам части Печорско-Камского канала , упоминаются как 98% термоядерного синтеза в 15 килотоннных испытаниях в Тайге . взрывные устройства выхода; то есть общая доля деления в устройстве мощностью 15 кт составляет 0,3 килотонны . ^[41] Другие включают 50-мегатонную " Царь-бомбу" при 97% -ном синтезе ^[42], испытание Hardtack Poplar на 9,3 мегатонн на 95% -ном уровне ^[43] и 4,5-мегатонное испытание Redwing Navajo при 95% -ном синтезе. ^[44]

19 июля 1956 года председатель AEC Льюис Штраус заявил, что испытание чистой бомбы Redwing Zuni «имело большое значение ... с гуманитарной точки зрения». Однако менее чем через два дня после этого объявления грязная версия Фагота, получившая название Bassoon Prime, с тампером урана-238 была испытана на барже у побережья атолла Бикини во время выстрела Redwing Tewa . Фагот Prime произвел мощность 5 мегатонн, из которых 87% пришлись на деление. Данные, полученные в ходе этого и других испытаний, привели к развертыванию в конечном итоге самого мощного из известных ядерных боеприпасов США и оружия с самой высокой удельной массой из когда-либо созданных - трехступенчатого термоядерного оружия с максимальной "грязной" мощностью 25%. мегатонны, обозначенные какЯдерная бомба B41 , которую должны были нести бомбардировщики ВВС США до тех пор, пока она не будет выведена из эксплуатации; это оружие так и не было полностью испытано.

Таким образом, чистые бомбы большой мощности, по-видимому, не представляли большой ценности с военной точки зрения. Фактически развернутое оружие было грязными версиями, которые увеличивали отдачу для устройства того же размера. Потребность в ядерных устройствах с низкой фракцией деления была вызвана только подобными проектами «Орион» и мирными ядерными взрывами - для земляных земляных работ с небольшим загрязнением полученной в результате раскопок области.

Ядерное оружие третьего поколения [ править ]

Ядерное оружие первого и второго поколений высвобождает энергию в виде разнонаправленных взрывов. Ядерное оружие третьего поколения ^{[45] [46] [47]} представляет собой экспериментальные боеголовки со специальным эффектом и устройства, которые могут направленно выделять энергию, некоторые из которых были испытаны во время холодной войны, но так и не были развернуты. К ним относятся:

• Проект «Прометей», также известный как «Ядерный дробовик», предполагал использование ядерного взрыва для ускорения кинетических пенетраторов против межконтинентальных баллистических ракет. ^[48]
• Проект Excalibur , рентгеновский лазер с ядерной накачкой для уничтожения баллистических ракет .
• Ядерные кумулятивные заряды, которые фокусируют свою энергию в определенных направлениях.
• Проект Орион исследовал использование ядерных взрывчатых веществ для ракетных двигателей.

Ядерное оружие четвертого поколения [ править ]

Новые конструкции ядерного оружия 4-го поколения ^[49], включая чисто термоядерное оружие и ядерные импульсные двигательные устройства, катализируемые антивеществом ^{[50] [51] [52]} , изучаются пятью крупнейшими ядерными державами. ^{[53] [54]}

Нанотехнология теоретически может производить миниатюрное термоядерное оружие с лазерным запуском, которое будет легче производить, чем обычное ядерное оружие. ^[55]

Кобальтовые бомбы [ править ]

Бомба судного дня, ставшая популярной благодаря роману Невила Шута 1957 года и последующему фильму 1959 года « На пляже» , кобальтовая бомба представляет собой водородную бомбу с кобальтовой оболочкой. Активированный нейтронами кобальт увеличил бы ущерб окружающей среде от радиоактивных осадков. Эти бомбы были популяризированы в фильме 1964 года « Доктор Стрейнджлав» или «Как я научился перестать волноваться и полюбил бомбу» ; материал, добавленный в бомбы, упоминается в фильме как «кобальт-торий G».

Такое «соленое» оружие было запрошено ВВС США и серьезно исследовано, возможно, построено и испытано, но не развернуто. В издании книги DOD / AEC «Эффекты ядерного оружия» 1964 года новый раздел под названием «Радиологическая война» прояснил этот вопрос. ^[56] Продукты деления так же смертоносны, как и кобальт, активированный нейтронами. Стандартное термоядерное оружие высокого деления автоматически становится оружием радиологической войны, грязным, как кобальтовая бомба.

Первоначально гамма-излучение от продуктов деления бомбы деления-синтеза-деления эквивалентного размера намного интенсивнее, чем Co-60 : в 15 000 раз интенсивнее за 1 час; В 35 раз интенсивнее за 1 неделю; В 5 раз интенсивнее в 1 месяц; и примерно столько же в 6 месяцев. После этого деление быстро спадает, так что выпадение Co-60 в 8 раз интенсивнее, чем деление через 1 год, и в 150 раз интенсивнее через 5 лет. Очень долгоживущие изотопы, образующиеся при делении, снова обгонят ⁶⁰ Co примерно через 75 лет. ^[57]

В результате тройного «таежного» ядерного залпового испытания в рамках предварительного проекта Печорско-Камского канала в марте 1971 г. было получено небольшое количество продуктов деления, и поэтому сравнительно большое количество продуктов, активируемых материалом корпуса, является причиной большей части остаточной активности на станции. сайт сегодня, а именно Co-60. В настоящее время (2011 г.) на испытательном полигоне этот продукт активации нейтронов отвечает за примерно половину дозы гамма-излучения, хотя эта доза слишком мала, чтобы вызвать вредные эффекты, нормальная зеленая растительность существует по всему образовавшемуся озеру. ^{[58] [59]}

Бомбы деления-синтеза-деления против трехступенчатых (третичных) бомб [ править ]

В этом разделе может быть слишком много повторений или излишней лексики . Пожалуйста, помогите улучшить его , объединив похожий текст или удалив повторяющиеся утверждения. ( Июль 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В 1954 году, чтобы объяснить удивительное количество выпадений продуктов деления, производимых водородными бомбами, Ральф Лапп ввел термин деление-синтез-деление для описания процесса внутри того, что он назвал трехступенчатым термоядерным оружием. ^[60] Его объяснение процесса было правильным, но его выбор терминов вызвал путаницу в открытой литературе. Стадии ядерного оружия - это не деление, синтез и деление. Они являются первичным, вторичным и, в очень немногих исключительных и мощных вооружениях, больше не находящихся на вооружении, третичными. Третичные (трехступенчатые) конструкции, такие как американская ядерная бомба B41 и советская Царь-Бомба.(обсуждалось выше), были разработаны в конце 1950-х - начале 1960-х годов; все с тех пор были списаны, поскольку типичные многомегатоннные мощности третичных бомб не уничтожают цели эффективно, так как они тратят энергию в сфере выше и ниже области суши. По этой причине в современных ядерных арсеналах все третичные бомбы уступили место нескольким более мелким двухступенчатым бомбовым тактикам (см., Например, MIRV ). Такие двухступенчатые бомбы, хотя и менее эффективны по мощности, тем не менее, более разрушительны для их общего веса бомбы, потому что они могут быть распределены по примерно двумерной области земли у цели.

Все так называемое оружие «деление-синтез-деление» (то есть все обычные современные термоядерные боеголовки) используют дополнительный этап «деления оболочки» с использованием термоядерных нейтронов. Это работает следующим образом: высокоэнергетические или «быстрые» нейтроны, генерируемые термоядерным синтезом, используются для деления делящейся оболочки, расположенной вокруг стадии термоядерного синтеза. В прошлом эта оболочка часто изготавливалась из природного или обедненного урана; но в сегодняшнем оружии, в котором есть преимущество по весу и размеру (то есть практически все современное стратегическое оружие), в качестве материала оболочки используется уран от умеренно до высокообогащенного (см. ниже раздел о термоядерных боеголовках Oralloy ). Быстро делениявторичной оболочки в бомбах деления-синтеза-деления иногда называют «третьей ступенью» в бомбе, но ее не следует путать с устаревшей трехступенчатой ​​термоядерной конструкцией, в которой существовала еще одна завершенная стадия третичного синтеза. .

В эпоху атомных испытаний на открытом воздухе оболочку деления иногда не использовали, чтобы создать так называемые «чистые бомбы» (см. Выше) или уменьшить количество радиоактивных осадков от продуктов деления в очень больших многомегатонных тоннах. взрывы. Чаще всего это делалось при испытании очень больших конструкций бомб третичного уровня, таких как «Царь-бомба» и испытательный выстрел «Зуни» в рамках операции «Редвинг» , о чем говорилось выше. При испытании такого оружия предполагалось (а иногда и показывалось на практике ), что оболочка из природного урана или обогащенного урана всегда может быть добавлена ​​к данной бомбе без оболочки, если это необходимо, для увеличения мощности от двух до пяти раз.

Оболочка деления не используется в улучшенном радиационном оружии или нейтронной бомбе , о которых будет сказано ниже.

Произвольно большие многоступенчатые устройства [ править ]

Часто предлагается ^{[61] [62],} но технически оспаривается идея устройства, которое имеет произвольно большое количество ступеней Теллера-Улама, каждая из которых приводит в движение больший радиационный взрыв, чем предыдущая ступень . ^[63] В открытой литературе есть «хорошо известные наброски и некоторые разумно выглядящие расчеты о двухступенчатом оружии, но нет столь же точных описаний истинных трехступенчатых концепций». ^[63]

Согласно статье Джорджа Леммера 1967 года о ВВС и стратегическом сдерживании 1951–1960 годов , в 1957 году LANL заявила, что может быть построена боеголовка мощностью 1000 мегатонн. ^[64] Очевидно, три из этих американских проектов были проанализированы в диапазоне гигатонн (1000 мегатонн); GNOMON и SUNDIAL из LLNL - объекты, отбрасывающие тени - и TAV из LANL. SUNDIAL пытались получить урожай в 10 Гт ^{[ необходима цитата ]} , в то время как проекты Gnomon и TAV пытались обеспечить выход в 1 Гт. ^{[65] [ нужен лучший источник ]} свобода информациибыл подан запрос (FOIA 13-00049-K) для получения информации по трем вышеупомянутым проектам США. Запрос был отклонен в соответствии с установленными законом исключениями, касающимися секретных материалов; отказ был обжалован, но, наконец, в апреле 2016 года запрос был снова отклонен. ^{[66] [67]}

Вслед за опасениями, вызванными предполагаемым масштабом столкновения кометы Шумейкера-Леви 9 1994 года с планетой Юпитер в гигатонном масштабе , на встрече 1995 года в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) Эдвард Теллер сделал предложение коллективу американских и российских бывших сотрудников времен холодной войны. разработчиков оружия, с которыми они сотрудничают при разработке ядерного взрывного устройства мощностью 1000 мегатонн для отклонения астероидов класса вымирания (диаметром более 10 км), которое будет использоваться в случае, если один из этих астероидов будет на траектории столкновения с Землей. ^{[68] [69] [70]}

Также в 1979 году Лоуэллом Вудом , протеже Теллера, были сделаны некоторые расчеты , согласно которым изначально нереализуемая «классическая супер» конструкция Теллера, аналогичная зажиганию свечи с дейтериевым топливом, потенциально могла бы обеспечить надежное возгорание, если бы она была задействована достаточно большим Устройство Теллера-Улама, а не оружие деления пушечного типа, используемое в первоначальной конструкции. ^[71]

Нейтронные бомбы [ править ]

Нейтронная бомба, технически называемая усиленным радиационным оружием (ВПВ), представляет собой тип тактического ядерного оружия, специально разработанного для высвобождения значительной части своей энергии в виде энергетического нейтронного излучения. Это контрастирует со стандартным термоядерным оружием, которое предназначено для улавливания этого интенсивного нейтронного излучения для увеличения его общей взрывной мощности. Что касается мощности, то ВПВ обычно производят примерно в десять раз меньше, чем ядерное оружие делительного типа. Даже при их значительно более низкой взрывной мощности ВПВ по-прежнему способны нанести гораздо больший ущерб, чем любая обычная бомба. Между тем, по сравнению с другим ядерным оружием, ущерб больше сосредоточен на биологическом материале, чем на материальной инфраструктуре (хотя экстремальные взрывные и тепловые эффекты не устраняются).

ВПВ точнее охарактеризовать как оружие с подавленной мощностью. Когда мощность ядерного оружия составляет менее одной килотонны, его смертельный радиус от взрыва, 700 м (2300 футов), меньше, чем от его нейтронного излучения. Однако сила взрыва более чем достаточно, чтобы разрушить большинство структур, которые менее устойчивы к воздействию взрыва, чем даже незащищенные люди. Давление взрыва превышает 20 фунтов на квадратный дюйм, тогда как большинство зданий рухнет под давлением всего 5 фунтов на квадратный дюйм.

Обычно ошибочно воспринимаемые как оружие, предназначенное для уничтожения населения и сохранения инфраструктуры, эти бомбы (как упоминалось выше) по-прежнему очень способны выравнивать здания в большом радиусе. Их конструкция заключалась в том, чтобы убивать экипажи танков - танки, обеспечивающие отличную защиту от взрыва и высокой температуры, выживающие (относительно) очень близко к взрыву. Учитывая огромные танковые силы СССР во время холодной войны, это было идеальным оружием для противодействия им. Нейтронное излучение могло мгновенно вывести из строя экипаж танка примерно на такое же расстояние, на которое жар и взрыв вывели бы из строя незащищенного человека (в зависимости от конструкции). Шасси танка также должно было стать высокорадиоактивным, что временно препятствовало его повторному использованию новым экипажем.

Однако нейтронное оружие предназначалось и для других целей. Например, они эффективны в противоядерной защите - поток нейтронов способен нейтрализовать приближающуюся боеголовку на большем расстоянии, чем тепло или взрыв. Ядерные боеголовки очень устойчивы к физическим повреждениям, но их очень трудно укрепить против экстремального нейтронного потока.

ВПВ представляли собой двухступенчатые термоядры, из которых удален весь несущественный уран для минимизации выхода деления. Термоядерный синтез дал нейтроны. Разработанные в 1950-х годах, они впервые были развернуты в 1970-х годах войсками США в Европе. Последние ушли на пенсию в 1990-е годы.

Нейтронная бомба возможна только в том случае, если мощность достаточно высока, чтобы возможно эффективное зажигание на стадии термоядерного синтеза, и если мощность достаточно мала, чтобы толщина корпуса не поглотила слишком много нейтронов. Это означает, что нейтронные бомбы имеют диапазон мощности от 1 до 10 килотонн, с долей деления, изменяющейся от 50% при 1 килотонне до 25% при 10 килотоннах (все это происходит на начальной стадии). Выход нейтронов на килотонну в этом случае в 10–15 раз больше, чем у чисто взрывного оружия деления или для стратегической боеголовки, такой как W87 или W88 . ^[72]

Термоядерные боеголовки из сплава Oralloy [ править ]

В 1999 году впервые за десятилетия о конструкции ядерного оружия снова заговорили. В январе Палата представителей США опубликовала отчет Кокса ( Christopher Cox R-CA), в котором утверждалось, что Китай каким-то образом получил секретную информацию о американской боеголовке W88. Девять месяцев спустя Вэнь Хо Ли , тайваньский иммигрант, работающий в Лос-Аламосе , был публично обвинен в шпионаже , арестован и отбыл девять месяцев в предварительном заключении , прежде чем дело против него было прекращено. Неизвестно, действительно ли был шпионаж.

В течение восемнадцати месяцев освещения в новостях боеголовка W88 была описана с необычными подробностями. The New York Times напечатала схематическую диаграмму на своей первой странице. ^[73] Наиболее подробный рисунок появился в книге Дэна Стобера и Яна Хоффмана « Удобный шпион» 2001 года по делу Вен Хо Ли, адаптированной и показанной здесь с разрешения.

Разработанный для использования на баллистических ракетах Trident II (D-5), запускаемых с подводных лодок , W88 поступил на вооружение в 1990 году и стал последней боевой частью, разработанной для арсенала США. Он был описан как самый продвинутый, хотя в открытых литературных источниках не указывается никаких основных конструктивных особенностей, которые не были доступны дизайнерам США в 1958 году.

На приведенной выше диаграмме показаны все стандартные характеристики боеголовок баллистических ракет с 1960-х годов, за двумя исключениями, которые обеспечивают более высокую мощность для таких размеров.

• Внешний слой вторичной обмотки, называемый «толкателем», который выполняет три функции: тепловой экран , тампер и топливо деления , сделан из U-235 вместо U-238, отсюда и название Oralloy (U-235) Thermonuclear. Делящиеся, а не просто делящиеся, позволяют толкателю делиться быстрее и полнее, увеличивая выход. Эта функция доступна только странам с большим количеством делящегося урана. По оценкам, в Соединенных Штатах имеется 500 тонн. ^{[ необходима цитата ]}
• Вторичная обмотка расположена в широком конце конуса повторного входа, где она может быть больше и, следовательно, более мощной. Обычно более тяжелая и плотная вторичная обмотка помещается в узкий конец для большей аэродинамической устойчивости во время выхода из космоса и дает больше места для громоздкой первичной обмотки в более широкой части конуса. (Чертеж боеголовки W87 в статье W87 показывает обычное расположение.) Из-за этой новой геометрии в первичной части W88 для экономии места используются компактные обычные фугасные взрывчатые вещества (CHE) ^[74], а не более обычные, громоздкие, но более безопасные. нечувствительные бризантные взрывчатые вещества (IHE). Конус повторного входа, вероятно, имеет балласт в носовой части для аэродинамической устойчивости. ^[75]

Чередующиеся слои делящегося и термоядерного материала во вторичной обмотке - это применение принципа будильника / Слойки.

Надежная замена боеголовки [ править ]

Соединенные Штаты не производили ядерных боеголовок с 1989 года, когда по экологическим причинам был остановлен завод по производству шахт в Рокки Флэтс , недалеко от Боулдера, штат Колорадо . С окончанием холодной войны два года спустя производственная линия простаивала, за исключением функций осмотра и технического обслуживания.

Национальная администрация по ядерной безопасности , последний преемник ядерного оружия в энергетической комиссии по атомной и Министерства энергетики , предложил строить новую яму объекта и запуск линии по производству новой боеголовки называется надежная замена Warhead (RRW). ^[76] Два рекламируемых улучшения безопасности RRW - это возврат к использованию «нечувствительных бризантных взрывчатых веществ, которые гораздо менее восприимчивы к случайной детонации», и устранение «некоторых опасных материалов, таких как бериллий , которые вредны для людей. и окружающая среда ". ^[77]Из-за моратория США на испытания ядерных взрывных устройств любая новая конструкция будет основываться на ранее проверенных концепциях. ^{[ необходима цитата ]}

Лаборатории дизайна оружия [ править ]

Примеры и перспективы в этом разделе касаются в первую очередь Соединенных Штатов и не отражают общемировой взгляд на предмет . Вы можете улучшить этот раздел , обсудить проблему на странице обсуждения или, при необходимости, создать новый раздел. ( Июнь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Все инновации в конструкции ядерного оружия, обсуждаемые в этой статье, возникли в следующих трех лабораториях описанным образом. Другие лаборатории по разработке ядерного оружия в других странах дублировали эти новаторские разработки независимо, реконструировали их на основе анализа радиоактивных осадков или приобретали их с помощью шпионажа. ^[78]

Лоуренс Беркли [ править ]

Первое систематическое исследование концепций конструкции ядерного оружия состоялось в середине 1942 года в Калифорнийском университете в Беркли . Важные ранние открытия были сделаны в соседней лаборатории Лоуренса в Беркли , такие как производство и выделение плутония на циклотроне в 1940 году. Профессор из Беркли, Роберт Оппенгеймер , только что был нанят, чтобы руководить национальной работой по созданию секретной бомбы. Его первым действием было созыв летней конференции 1942 года.

К тому времени, когда он перенес свою операцию в новый секретный город Лос-Аламос, штат Нью-Мексико, весной 1943 года, накопленные знания о конструкции ядерного оружия состояли из пяти лекций профессора из Беркли Роберта Сербера , переписанных и распространенных как « Учебник по Лос-Аламосу». . ^[79] В учебнике рассматриваются энергия деления, образование и захват нейтронов , ядерные цепные реакции , критическая масса , тамперы, преддетонация и три метода сборки бомбы: сборка пушки, имплозия и «автокаталитические методы», единственный подход, который оказался быть тупиком.

Лос-Аламос [ править ]

В Лос-Аламосе в апреле 1944 года Эмилио Сегре обнаружил, что предлагаемая бомба в сборе типа Thin Man Gun не будет работать с плутонием из-за проблем с преддетонацией, вызванных примесями Pu-240 . Так что «Толстяк», бомба имплозивного типа, получил высокий приоритет как единственный вариант для плутония. Обсуждения в Беркли дали теоретические оценки критической массы, но ничего точного. Основной задачей военного времени в Лос-Аламосе было экспериментальное определение критической массы, которое должно было подождать, пока с заводов-производителей не прибудет достаточное количество расщепляющегося материала: урана из Ок-Риджа, Теннесси , и плутония из Хэнфордского полигона в Вашингтоне.

В 1945 году, используя результаты экспериментов с критической массой, техники Лос-Аламоса изготовили и собрали компоненты для четырех бомб: Trinity Gadget , Little Boy, Fat Man и неиспользованного запасного Fat Man. После войны те, кто мог, включая Оппенгеймера, вернулись на преподавательские должности в университетах. Те, кто остались, работали над левитирующими и полыми ямами и проводили тесты на эффекты оружия, такие как Crossroads Able и Baker на атолле Бикини в 1946 году.

Все основные идеи включения термоядерного синтеза в ядерное оружие возникли в Лос-Аламосе между 1946 и 1952 годами. После прорыва в 1951 году в результате радиационной имплозии Теллера-Улама были полностью изучены технические последствия и возможности, но идеи не имели прямого отношения к созданию максимально возможного бомбы для дальних бомбардировщиков ВВС были поставлены на полки.

Из-за первоначальной позиции Оппенгеймера в дебатах о водородной бомбе, противостоящей крупному термоядерному оружию, а также из предположения, что он все еще имел влияние на Лос-Аламос, несмотря на его отъезд, политические союзники Эдварда Теллера решили, что ему нужна собственная лаборатория, чтобы преследовать H -бомбы. К моменту открытия в 1952 году в Ливерморе , Калифорния, Лос-Аламос закончил работу, для которой был призван Ливермор.

Лоуренс Ливермор [ править ]

Поскольку первоначальная миссия больше не выполнялась, лаборатория Ливермора опробовала радикально новые конструкции, но безуспешно. Его первые три ядерных испытания закончились провалом : в 1953 году - два устройства одноступенчатого деления с ямами для гидрида урана , а в 1954 году - двухступенчатое термоядерное устройство, в котором вторичная обмотка нагревается преждевременно, слишком быстро для того, чтобы радиационная имплозия работала должным образом.

Переставив передачи, Ливермор решил взять идеи, отложенные в Лос-Аламосе на полку, и развить их для армии и флота. Это привело к тому, что Ливермор стал специализироваться на тактическом оружии малого диаметра, в частности, использующем двухточечные имплозионные системы, такие как Swan. Тактическое оружие малого диаметра стало основным для вторичных орудий малого диаметра. Примерно в 1960 году, когда гонка сверхдержавных вооружений превратилась в гонку баллистических ракет, Ливерморские боеголовки оказались более полезными, чем большие и тяжелые боеголовки Лос-Аламоса. Боеголовки Лос-Аламоса использовались на первых баллистических ракетах средней дальности , БРСД, но меньшие боеголовки Ливермора использовались на первых межконтинентальных баллистических ракетах , межконтинентальных баллистических ракетах и ​​баллистических ракетах подводных лодок , БРПЛ, а также на первыхсистемы залпового огня на таких ракетах. ^[80]

В 1957 и 1958 годах обе лаборатории построили и испытали как можно больше конструкций в ожидании того, что запланированный на 1958 год запрет на испытания может стать постоянным. К тому времени, когда испытания возобновились в 1961 году, две лаборатории стали дублировать друг друга, и задания по проектированию были назначены больше по соображениям рабочей нагрузки, чем по специальности лаборатории. Некоторые дизайны продавались лошадьми. Например, боеголовка W38 для ракеты Titan I начиналась как проект Ливермора, была передана Лос-Аламосу, когда она стала боеголовкой ракеты Атлас , а в 1959 году была возвращена Ливермору в обмен на боеголовку W54 Дэви Крокетта , которая отправился из Ливермора в Лос-Аламос.

Конструкции боеголовок после 1960 г. приобрели характер изменения моделей, и каждая новая ракета по маркетинговым соображениям получала новую боеголовку. Главное существенное изменение заключалось в упаковке большего количества делящегося урана-235 во вторичный уран, поскольку он стал доступным благодаря продолжающемуся обогащению урана и демонтажу больших бомб высокой мощности.

Начиная с установки Nova в Ливерморе в середине 1980-х, деятельность по ядерному проектированию, относящаяся к радиационно-управляемой имплозии, опиралась на исследования с использованием лазерного термоядерного синтеза с непрямым возбуждением . Эта работа была частью усилий по исследованию термоядерного синтеза с инерционным удержанием . Аналогичная работа продолжается и на более мощном Национальном центре зажигания . Программа управления запасами также извлекла пользу из исследований, проведенных в NIF .

Взрывное испытание [ править ]

Ядерное оружие в значительной степени создается методом проб и ошибок. Испытание часто включает в себя испытательный взрыв прототипа.

При ядерном взрыве большое количество дискретных событий с различной вероятностью объединяется в кратковременные хаотические потоки энергии внутри корпуса устройства. Для аппроксимации процессов требуются сложные математические модели, а в 1950-х годах не было компьютеров, достаточно мощных для их правильного выполнения. Даже сегодняшние компьютеры и программное обеспечение для моделирования не подходят. ^[81]

Сконструировать надежное оружие для склада было достаточно легко. Если опытный образец сработает, его можно будет использовать в качестве оружия и производить его серийно.

Было гораздо труднее понять, как это работает или почему не удалось. Разработчики собрали как можно больше данных во время взрыва, прежде чем устройство разрушилось, и использовали эти данные для калибровки своих моделей, часто вставляя ложные факторы в уравнения, чтобы моделирование соответствовало экспериментальным результатам. Они также проанализировали обломки оружия в результате радиоактивных осадков, чтобы увидеть, какая часть потенциальной ядерной реакции произошла.

Световые трубы [ править ]

Важным инструментом для анализа тестов была диагностическая световая трубка. Зонд внутри испытательного устройства может передавать информацию, нагревая металлическую пластину до накала, событие, которое может быть зарегистрировано приборами, расположенными на дальнем конце длинной очень прямой трубы.

На картинке ниже показано устройство «Креветка», взорванное 1 марта 1954 года в Бикини во время испытания « Замок Браво» . Взрыв мощностью 15 мегатонн стал крупнейшим в истории США. Силуэт мужчины показан в масштабе. Устройство опирается снизу на торцы. Трубы, идущие в потолок кабины, которые выглядят как опоры, на самом деле являются диагностическими световыми трубами. Восемь труб на правом конце (1) отправляли информацию о подрыве первичной обмотки. Два в середине (2) отметили время, когда рентгеновские лучи от первичной обмотки достигли канала излучения вокруг вторичной обмотки. Последние две трубки (3) отметили время, в течение которого излучение достигло дальнего конца канала излучения, при этом разница между (2) и (3) была временем прохождения излучения по каналу. ^[82]

Из кабины для съемки трубы повернули горизонтально и прошли 7500 футов (2,3 км) по дамбе, построенной на рифе Бикини, к бункеру для сбора данных с дистанционным управлением на острове Наму.

В то время как рентгеновские лучи обычно проходят со скоростью света через материал с низкой плотностью, такой как наполнитель канала из пенопласта между (2) и (3), интенсивность излучения от взрывающейся первичной обмотки создает относительно непрозрачный фронт излучения в канале. наполнитель, который действует как медленно движущийся затор, задерживая прохождение лучистой энергии. Пока вторичный элемент сжимается посредством радиационной абляции, нейтроны первичного элемента догоняют рентгеновское излучение, проникают во вторичный элемент и начинают воспроизводить тритий посредством третьей реакции, отмеченной в первом разделе выше. Эта реакция Li-6 + n является экзотермической, производя 5 МэВ за событие. Свеча зажигания еще не сжата и, таким образом, остается подкритической, поэтому в результате не происходит значительного деления или плавления. Если достаточно нейтронов прибудет до того, как взрыв вторичной обмотки завершится,тем не менее, критическая разница температур между внешней и внутренней частями вторичной обмотки может ухудшиться, что потенциально может привести к тому, что вторичная обмотка не воспламенится. Первое термоядерное оружие, спроектированное Ливермором, устройство Моргенштерна, потерпело такую ​​неудачу, когда оно было испытано.Замок Кун, 7 апреля 1954 года. Первичный элемент загорелся, но вторичный, предварительно нагретый нейтронной волной первичного элемента, подвергся так называемой неэффективной детонации ; ^{[83] : 165} таким образом, оружие с прогнозируемой мощностью в одну мегатонну произвело всего 110 килотонн, из которых всего 10 килотонн были отнесены на счет термоядерного синтеза. ^{[84] : 316}

Эти временные эффекты и любые проблемы, которые они вызывают, измеряются данными световода. Математические модели, которые они калибруют, называются кодами гидродинамики радиационных потоков или кодами каналов. Они используются для прогнозирования последствий будущих модификаций конструкции.

Из общедоступных источников неясно, насколько успешными были световые трубки Shrimp. Бункер беспилотных данных находился достаточно далеко, чтобы оставаться за пределами кратера шириной в милю, но взрыв мощностью 15 мегатонн, в два с половиной раза мощнее, чем ожидалось, пробил бункер, сорвав его 20-тонную дверь с петель и поперек внутри бункера. (Ближайшие люди были на двадцать миль (32 км) дальше, в уцелевшем бункере.) ^[85]

Анализ Fallout [ править ]

Наиболее интересные данные из Замка Браво получены в результате радиохимического анализа обломков оружия в результате радиоактивных осадков. Из-за нехватки обогащенного лития-6 60% лития во вторичной системе Shrimp было обычным литием-7, который не так легко воспроизводит тритий, как литий-6. Но он действительно порождает литий-6 как продукт (n, 2n) реакции (один нейтрон на входе, два нейтрона на выходе) - известный факт, но с неизвестной вероятностью. Вероятность оказалась высокой.

Анализ осадков показал разработчикам, что с реакцией (n, 2n) вторичный Shrimp фактически содержал в два с половиной раза больше лития-6, чем ожидалось. Соответственно увеличились тритий, выход термоядерного синтеза, нейтроны и выход деления. ^[86]

Как отмечалось выше, анализ осадков, проведенный Браво, также впервые сообщил внешнему миру, что термоядерные бомбы - это скорее устройства деления, чем устройства синтеза. Японская рыбацкая лодка Дайго Фукурю Мару отплыла домой с достаточным количеством осадков на палубах, чтобы позволить ученым в Японии и других странах определить и объявить, что большая часть радиоактивных осадков произошла в результате деления U-238 в результате ядерного синтеза с энергией 14 МэВ. нейтроны.

Подземные испытания [ править ]

Глобальная тревога по поводу радиоактивных осадков, начавшаяся с события в замке Браво, в конечном итоге привела к тому, что ядерные испытания оказались буквально под землей. Последнее наземное испытание США проводилось на острове Джонстон 4 ноября 1962 года. В течение следующих трех десятилетий, до 23 сентября 1992 года, Соединенные Штаты проводили в среднем 2,4 подземных ядерных взрыва в месяц, причем все, кроме нескольких, на Испытательный полигон Невады (NTS) к северо-западу от Лас-Вегаса.

Участок Юкка-Флэт на NTS покрыт кратерами проседания, образовавшимися в результате обрушения местности над радиоактивными пещерами, образовавшимися в результате ядерных взрывов (см. Фото).

После Договора о пороговом запрещении испытаний (TTBT) 1974 года, который ограничивал подземные взрывы до 150 килотонн или меньше, боеголовки, такие как пол-мегатонны W88, должны были быть испытаны с меньшей мощностью. Поскольку первичная обмотка должна быть взорвана с полной мощностью, чтобы получить данные о взрыве вторичной обмотки, снижение мощности должно происходить от вторичной обмотки. Замена большей части термоядерного топлива с дейтеридом лития-6 гидридом лития-7 ограничила доступный для термоядерного синтеза тритий и, следовательно, общий выход, без изменения динамики имплозии. Функционирование устройства можно было оценить с помощью световых трубок, других сенсорных устройств и анализа захваченных обломков оружия. Полная мощность накопленного оружия может быть рассчитана путем экстраполяции.

Производственные мощности [ править ]

Примеры и перспективы в этом разделе касаются в первую очередь Соединенных Штатов и не отражают общемировой взгляд на предмет . Вы можете улучшить этот раздел , обсудить проблему на странице обсуждения или, при необходимости, создать новый раздел. ( Июнь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Когда в начале 1950-х годов двухступенчатое оружие стало стандартом, его конструкция определила расположение новых широко разбросанных производственных мощностей в США, и наоборот.

Поскольку первичные элементы имеют тенденцию быть громоздкими, особенно по диаметру, плутоний является предпочтительным делящимся материалом для ям с бериллиевыми отражателями. Он имеет меньшую критическую массу, чем уран. Завод в Роки-Флэтс недалеко от Боулдера, штат Колорадо, был построен в 1952 году для добычи из карьера и впоследствии стал заводом по производству плутония и бериллия.

Завод Y-12 в Ок-Ридже , штат Теннесси , где масс-спектрометры, называемые калютронами, обогащали уран для Манхэттенского проекта , был перепроектирован для производства вторичных компонентов. Делящийся U-235 является лучшими свечами зажигания, потому что его критическая масса больше, особенно в цилиндрической форме ранних вторичных термоядерных компонентов. В ранних экспериментах использовалось сочетание двух делящихся материалов в виде композитных ямок Pu-Oy и свечей зажигания, но для массового производства заводам было легче специализироваться: плутониевые ямы в первичных цепях, урановые свечи зажигания и толкатели во вторичных цепях.

Y-12 производил термоядерное топливо с дейтеридом лития-6 и части U-238, два других ингредиента вторичных компонентов.

На Хэнфордском участке около Ричленда, штат Вашингтон, во время Второй мировой войны и холодной войны эксплуатировались ядерные реакторы для производства плутония и установки для разделения. Здесь построены и эксплуатируются девять реакторов по производству плутония. Первым из них был реактор B, который начал работу в сентябре 1944 года, а последним - реактор N, который прекратил работу в январе 1987 года.

На участке Саванна-Ривер в Эйкене , Южная Каролина , также построенном в 1952 году, работали ядерные реакторы, которые преобразовывали U-238 в Pu-239 для карьеров и превращали литий-6 (производимый на Y-12) в тритий для дожимного газа. Поскольку его реакторы замедлялись тяжелой водой, оксидом дейтерия, он также производил дейтерий для бустерного газа и Y-12 для использования в производстве дейтерида лития-6.

Безопасность конструкции боеголовки [ править ]

Поскольку даже ядерные боеголовки малой мощности обладают поразительной разрушительной силой, конструкторы оружия всегда признавали необходимость включения механизмов и связанных с ними процедур, предназначенных для предотвращения случайного взрыва.

Оружие пушечного типа [ править ]

По своей сути опасно иметь оружие, содержащее такое количество и форму делящегося материала, который может образовать критическую массу в результате относительно простой аварии. Из-за этой опасности топливо в Little Boy (четыре пакета кордита ) было вставлено в бомбу во время полета, вскоре после взлета, 6 августа 1945 года. Это был первый раз, когда ядерное оружие пушечного типа было полностью собрано.

Если оружие упадет в воду, сдерживающий эффект воды также может вызвать аварию , связанную с критичностью , даже без физического повреждения оружия. Точно так же пожар, вызванный аварией самолета, может легко воспламенить топливо, что приведет к катастрофическим результатам. Оружие пушечного типа всегда было небезопасным по своей сути.

Установка бортовой ямы [ править ]

Ни один из этих эффектов маловероятен для имплозивного оружия, поскольку обычно делящегося материала недостаточно для образования критической массы без правильной детонации линз. Однако в самом раннем имплозивном оружии ямы были настолько близки к критичности, что случайный взрыв с некоторой ядерной мощностью вызывал опасения.

9 августа 1945 года «Толстяк» погрузили в свой самолет в полностью собранном виде, но позже, когда левитирующие ямы образовали пространство между ямой и тампером, стало возможным использовать установку ямы в полете. Бомбардировщик взлетел бы без делящегося материала в бомбе. Некоторые старые виды оружия имплозионного типа, такие как американские Mark 4 и Mark 5 , использовали эту систему.

Установка ямы в полете не работает, если полая яма контактирует с тампером.

Метод безопасности со стальным шариком [ править ]

Как показано на диаграмме выше, в одном из методов уменьшения вероятности случайной детонации использовались металлические шарики . Шары опорожнялись в яму: это предотвращало детонацию за счет увеличения плотности полой ямы, тем самым предотвращая симметричный взрыв в случае аварии. Эта конструкция использовалась в оружии Зеленая трава, также известном как Оружие Промежуточного Мегатонна, которое использовалось в бомбах Violet Club и Yellow Sun Mk.1 .

Метод безопасности цепи [ править ]

В качестве альтернативы яма может быть «защищена», если ее обычно полая сердцевина заполнена инертным материалом, например тонкой металлической цепочкой, возможно, сделанной из кадмия для поглощения нейтронов. Пока цепь находится в центре ямы, яма не может быть сжата в форму, подходящую для деления; когда оружие должно быть вооружено, цепь снимается. Точно так же, хотя серьезный пожар может привести к детонации взрывчатых веществ, разрушив яму и распространя плутоний, загрязняя окружающую среду, как это произошло в нескольких авариях с оружием , он не мог вызвать ядерный взрыв.

Одноточечная безопасность [ править ]

В то время как запуск одного детонатора из многих не приведет к критическому значению полой ямы, особенно полой ямы с малой массой, которая требует наддува, внедрение двухточечных систем имплозии сделало эту возможность серьезной проблемой.

В двухточечной системе, если сработает один детонатор, одно целое полушарие ямы взорвется, как и было задумано. Фугасный заряд, окружающий другое полушарие, будет постепенно взрываться от экватора к противоположному полюсу. В идеале это будет ущемлять экватор и отжимать второе полушарие от первого, как зубная паста в тюбике. К тому времени, когда взрыв охватит его, его схлопывание будет отделено как во времени, так и в пространстве от схлопывания первого полушария. Полученная форма гантели, каждый конец которой достигает максимальной плотности в разное время, может не стать критичной.

К сожалению, на чертежной доске невозможно предсказать, как это будет развиваться. Невозможно также использовать фиктивную яму с U-238 и высокоскоростные рентгеновские камеры, хотя такие тесты полезны. Для окончательного определения необходимо провести испытание на реальном расщепляющемся материале. Следовательно, начиная с 1957 года, через год после Свана, обе лаборатории начали одноточечные испытания на безопасность.

Из 25 одноточечных испытаний на безопасность, проведенных в 1957 и 1958 годах, семь имели нулевую или небольшую ядерную мощность (успех), три имели высокую мощность от 300 т до 500 т (серьезный отказ), а остальные имели неприемлемую мощность между этими крайними значениями.

Особое беспокойство вызывал ливерморский W47 , который показал неприемлемо высокие урожаи при одноточечном тестировании. Чтобы предотвратить случайную детонацию, Ливермор решил использовать на W47 механическую защиту. В результате была получена схема проволочной защиты, описанная ниже.

Когда испытания возобновились в 1961 году и продолжались в течение трех десятилетий, было достаточно времени, чтобы сделать все конструкции боеголовок по своей сути одноточечными, без необходимости в механической защите.

Метод безопасности проводов [ править ]

В последнем испытании перед мораторием 1958 года было обнаружено, что боеголовка W47 для БРПЛ Polaris небезопасна на одну точку, обеспечивая неприемлемо высокую ядерную мощность в 400 фунтов (180 кг) в тротиловом эквиваленте (Hardtack II Titania). В условиях действующего моратория на испытания не было возможности усовершенствовать конструкцию и сделать ее по своей сути одноточечной. Раствор был разработан состоящим из бора покрытой проволоки , вставленной в полую яму этого оружия на производстве. Боевая часть была вооружена за счет вывода провода на катушку, приводимую в действие электродвигателем. После извлечения провод нельзя было снова вставить. ^[87] Проволока имела тенденцию становиться хрупкой во время хранения, а также ломаться или застревать во время включения, что препятствовало полному удалению и превращало боеголовку в неразорвавшуюся часть. ^[88]Было подсчитано, что 50–75% боеголовок выйдут из строя. Это потребовало полной перестройки всех основных цветов W47. ^[89] Масло, используемое для смазки проволоки, также способствовало коррозии ямы. ^[90]

Сильная ссылка / слабая ссылка [ править ]

В рамках системы сильных / слабых звеньев между критически важными компонентами ядерного оружия создаются «слабые звенья» («жесткие звенья»). В случае аварии слабые звенья спроектированы так, чтобы сначала выйти из строя, что исключает передачу энергии между ними. Затем, если жесткая связь выходит из строя таким образом, что передает или высвобождает энергию, энергия не может быть передана в другие системы оружия, что потенциально может вызвать ядерный взрыв. Жесткие звенья обычно являются критическими компонентами оружия, которые были усилены, чтобы выдерживать экстремальные условия, в то время как слабые звенья могут быть как компонентами, намеренно вставленными в систему, чтобы действовать как слабое звено, так и критическими ядерными компонентами, которые могут выйти из строя предсказуемо.

Примером слабого звена может быть электрический соединитель, содержащий электрические провода, сделанные из сплава с низкой температурой плавления. Во время пожара эти провода расплавятся, нарушив любое электрическое соединение.

Ссылка на разрешающее действие [ править ]

Разрешающее Действие Link является контроль доступа устройства , предназначенное для предотвращения несанкционированного применения ядерного оружия. Ранние PAL были простыми электромеханическими переключателями и превратились в сложные системы постановки на охрану, которые включают в себя встроенные опции контроля урожайности, устройства блокировки и устройства защиты от несанкционированного доступа.

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

Заметки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с дизайном ядерного оружия .

• Архив Ядерного оружия Кэри Саблетт является надежным источником информации и содержит ссылки на другие источники.
  • Ядерное оружие Часто задаваемые вопросы: Раздел 4.0 Разработка и проектирование ядерного оружия
• Федерация американских ученых обеспечивает надежную информацию об оружии массового уничтожения, включая ядерное оружие и их последствия
• Globalsecurity.org предоставляет хорошо написанный учебник по концепциям проектирования ядерного оружия (навигация по сайту справа).
• Подробнее о конструкции двухступенчатых термоядерных бомб
• Список критически важных в военном отношении технологий (MCTL), часть II (1998) (PDF) из Министерства обороны США на веб-сайте Федерации американских ученых.
• «Ограниченные решения по рассекречиванию данных с 1946 года по настоящее время» , серия отчетов Министерства энергетики, опубликованная с 1994 по январь 2001 года, в которой перечислены все известные действия по рассекречиванию и их даты. Организатор - Федерация американских ученых.
• «Бомба Холокоста: вопрос времени» - это обновленная версия судебного дела 1979 года « США против прогрессивного» со ссылками на подтверждающие документы по конструкции ядерного оружия.
• Аннотированная библиография по конструкции ядерного оружия из Цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос
• Проект международной истории ядерного распространения Центра Вудро Вильсона (NPIHP) - это глобальная сеть лиц и организаций, занимающихся изучением международной ядерной истории с помощью архивных документов, устных интервью и других эмпирических источников.