Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
« Демоническое ядро »: воссоздание конфигурации, использованной в фатальной аварии 1945 года, связанной с критичностью, со сферой из плутония, окруженной отражающими нейтроны блоками карбида вольфрама .
Прецизионная плутониевая литейная форма, 1959 г.

Яма , названная в честь твердого ядра , найденного в фруктах , такие как персики и абрикосы , является ядром из имплозии ядерного оружия - делящийся материал и любой отражатель нейтронов или TAMPER связанного с ним. Некоторые виды оружия испытанные в течение 1950 - х годов используются ямы , сделанные с U-235 в одиночку или в композит с плутонием , [1] , но все-плутоний ямы наименьший диаметр и были стандартом с начала 1960 - х годов.

Проекты ям [ править ]

Кристи Питс [ править ]

Ямки первых ядерного оружия были твердыми, с ежа нейтронным инициатором в их центре. Гаджет и Толстяк использовали ямы из 6,2 кг твердого горячепрессованного плутоний-галлиевого сплава (при 400 ° C и 200 МПа в стальных штампах - 750 ° F и 29000 фунтов на квадратный дюйм) полусфер диаметром 9,2 см (3,6 дюйма), с внутренней полостью 2,5 см (1 дюйм) для инициатора. Яма Гайки была покрыта гальваническим покрытием 0,13 мм серебра ; однако на слое образовались пузыри, и перед испытанием пузыри пришлось отшлифовать и покрыть золотым листом . Яма Толстяка и все последующие модели были покрыты никелем . Аполая яма считалась более эффективной, но в конечном итоге была отвергнута из-за более высоких требований к точности имплозии. [ необходима цитата ]

В более поздних конструкциях использовались инициаторы TOM аналогичной конструкции, но с диаметром всего около 1 см ( 3 ⁄ 8 дюйма  ). Позднее внутренние нейтронные инициаторы были выведены из эксплуатации и заменены импульсными источниками нейтронов , а также усиленным оружием деления. [ необходима цитата ]

Сплошные сердечники были известны как конструкция « Кристи » в честь Роберта Кристи, который воплотил проект сплошного карьера в реальность после того, как он был первоначально предложен Эдвардом Теллером . [2] [3] [4] Помимо ямы, весь физический пакет также получил неофициальное прозвище «Устройство Кристи». [5]

Левитирующие ямы [ править ]

Эффективность имплозии можно повысить, оставив пустое пространство между тампером и ямой, что вызовет быстрое ускорение ударной волны до того, как она ударится в яму. Этот метод известен как имплозия левитирующей ямы . Левитирующие ямы были испытаны в 1948 году с бомбами типа «Толстяк» ( Mark IV ). Раннее оружие с левитирующей ямой имело съемную яму, называемую открытой ямой . Он хранился отдельно, в специальной капсуле, называемой птичьей клеткой . [6]

Полые ямы [ править ]

Во время взрыва полой ямы слой плутония ускоряется внутрь, сталкиваясь посередине и образуя сверхкритическую высокоплотную сферу. Из-за добавленного импульса плутоний сам играет роль тампера, требуя меньшего количества урана в защитном слое, уменьшая вес и размер боеголовки. Полые ямы более эффективны, чем сплошные, но требуют более точного взрыва; Поэтому сплошные ямы «Кристи» были предпочтительны для первых конструкций оружия. После окончания войны в августе 1945 года лаборатория снова сосредоточилась на проблеме пустотелого карьера, и до конца года их возглавлял Ганс Бете , руководитель его группы и преемник теоретического отдела с полым композитным сердечником. представляют наибольший интерес, [7]из-за стоимости плутония и проблем с запуском реакторов в Хэнфорде.

Эффективность полых ямок может быть дополнительно увеличена путем нагнетания смеси дейтерия и трития 50% / 50% в полость непосредственно перед взрывом, так называемое «усиление термоядерного синтеза» ; это также снижает минимальное количество плутония для успешного взрыва. Более высокая степень контроля инициирования, как за счет количества впрыскиваемой дейтерий-тритиевой смеси, так и за счет времени и интенсивности нейтронного импульса от внешнего генератора, облегчила создание оружия с регулируемой мощностью . [ необходима цитата ]

Композитные стержни и урановые карьеры [ править ]

В то время поставки плутония-239 были недостаточными. Чтобы уменьшить его количество, необходимое для ямы, была разработана композитная активная зона, в которой полая оболочка из плутония была окружена внешней оболочкой из более богатого на то время высокообогащенного урана . Композитные сердечники были доступны для ядерных бомб Mark 3 к концу 1947 года. [8] Например, композитный сердечник для американской бомбы Mark 4, ядро ​​49-LCC-C было сделано из 2,5 кг плутония и 5 кг плутония. уран. Его взрыв высвобождает только 35% энергии плутония и 25% урана, поэтому он не очень эффективен, но экономия веса плутония значительна. [9]

Еще один фактор для рассмотрения различных материалов карьера - это различное поведение плутония и урана. [10] Плутоний делится быстрее и производит больше нейтронов, но тогда его производство было дороже, и его было мало из-за ограничений имеющихся реакторов. Уран медленнее расщепляется, поэтому из него можно получить более сверхкритическую массу, что обеспечивает более высокую мощность оружия. Создание композитного сердечника рассматривалось еще в июле 1945 года, а композитные сердечники стали доступны в 1946 году. Приоритетом для Лос-Аламоса тогда было проектирование полностью уранового карьера. Новые конструкции карьера были испытаны на Operation Sandstone .

Активная зона , содержащая только плутоний, с ее высокой фоновой нейтронной скоростью имела высокую вероятность преддонации с пониженным выходом. [11] Для минимизации этой вероятности потребовалась меньшая масса плутония, что ограничивало достижимый выход примерно до 10 кт, или использование высокочистого плутония-239 с непрактично низким уровнем загрязнения плутонием-240. Преимуществом композитного сердечника была возможность поддерживать более высокие выходы при сохранении низкого риска преддетонации и использовать оба доступных делящегося материала. Ограничение мощности стало неактуальным в середине 1950-х годов с появлением термоядерного усиления, а затем и с использованием термоядерного оружия. [12]

Мощность оружия также можно контролировать, выбирая из множества ям. Например, ядерная бомба Mark 4 могла быть оборудована тремя различными ямами: 49-LTC-C (левитирующий уран-235, испытанный в испытании Zebra 14 мая 1948 г.), 49-LCC-C (левитирующий композит уран-плутоний). и 50-LCC-C (левитирующий композит). [13] Этот подход не подходит для полевого выбора мощности более современного оружия с несъемными ямами, но позволяет производить несколько подтипов оружия с разной мощностью для различных тактических целей. Ранние конструкции в США были основаны на стандартизированных сборках карьера типа C и типа D. Mark 4Бомба использовала ямы типа C и типа D, которые вставлялись вручную в полете. Mark 5 бомба используется тип D ямы, с автоматизированы в полете вставки; БЧ W-5 использовала то же самое. Его преемница, бомба Mark 6 , предположительно использовала те же или аналогичные ямы. [ необходима цитата ]

Яма может состоять только из плутония-239, плутония-239 / урана-235 или только урана-235. Плутоний является наиболее распространенным выбором, но, например, бомба Violet Club [14] и боеголовка Orange Herald использовали массивные полые ямы, состоящие из 87 и 117 кг (98 и 125 кг по другим источникам) высокообогащенного урана . Зеленая траваактивная зона деления состояла из сферы из высокообогащенного урана с внутренним диаметром 560 мм, толщиной стенки 3,6 мм и массой 70–86 кг; Яма была полностью поддержана окружающим тампером из природного урана. Такие массивные ямы, состоящие из более чем одной критической массы делящегося материала, представляют значительную угрозу безопасности, поскольку даже асимметричный взрыв имплозионной оболочки может вызвать взрыв на килотонном расстоянии. [15] В самом мощном оружии чистого деления, ядерной бомбе Mark 18 мощностью 500 килотонн , использовалась пустотелая яма, состоящая из более чем 60 кг высокообогащенного урана с примерно четырьмя критическими массами; аварийный было сделано с алюминиевым - бора цепи , вставленной в яму.

Составная яма из плутония и урана-233 , основанная на ядре плутония-U235 из ядерной бомбы TX-7E Mark 7 , была испытана в 1955 году во время операции «Чайник» в испытании MET . Выработка составила 22 килотонны вместо ожидаемых 33 килотонн. [ необходима цитата ]

Запечатанные ямы [ править ]

А запечатанная яма означает , что твердый металлический барьер формируется вокруг ямы внутри ядерного оружия, без каких - либо отверстий. Это защищает ядерные материалы от разрушения окружающей среды и помогает снизить вероятность их выброса в случае случайного пожара или небольшого взрыва. Первым американским оружием, в котором использовалась герметичная яма, была боеголовка W25 . Металлом часто является нержавеющая сталь , но также используются бериллий , алюминий и, возможно, ванадий . Бериллий хрупкий, токсичный и дорогой, но он является привлекательным выбором из-за его роли в качестве отражателя нейтронов., снижая необходимую критическую массу ямы. Вероятно, существует слой межфазного металла между плутонием и бериллием, улавливающий альфа-частицы от распада плутония (а также америций и других загрязняющих веществ), которые в противном случае вступили бы в реакцию с бериллием и образовали нейтроны. Бериллиевые тамперы / отражатели начали использовать в середине 1950-х годов; детали были изготовлены из прессованных порошковых бериллиевых заготовок на заводе Rocky Flats . [16]

Более современные плутониевые ямы полые. Часто цитируемая спецификация, применимая к некоторым современным карьерам, описывает полую сферу из подходящего конструкционного металла, примерно размером и весом шара для боулинга , с каналом для впрыска трития (в случае оружия с усиленным делением ), с внутренняя поверхность футерована плутонием. Часто классифицируются размер, обычно между шаром для боулинга и теннисным мячом , точность сферичности, а также вес и изотопный состав делящегося материала, главные факторы, влияющие на свойства оружия. Полые ямы могут быть выполнены из полуоболочек с тремя сварными швами вокруг экватора и паяной трубой.(к корпусу из бериллия или алюминия), электронно-лучевой или сваркой TIG (с корпусом из нержавеющей стали) для впрыска наддува. [17] Ямы, плакированные бериллием, более уязвимы для разрушения, более чувствительны к колебаниям температуры, с большей вероятностью требуют очистки, подвержены коррозии из- за хлоридов и влаги и могут подвергать рабочих воздействию токсичного бериллия.

Более новые карьеры содержат около 3 килограммов плутония. Старые ямы использовали около 4-5 килограммов. [18]

Линейные ямы имплозии [ править ]

Дальнейшая миниатюризация была достигнута за счет линейной имплозии . Удлиненная подкритическая твердая яма, преобразованная в сверхкритическую сферическую форму двумя противоположными ударными волнами, а затем и полая яма с более точной формой ударных волн, позволили создать относительно очень небольшие ядерные боеголовки. Конфигурация, однако, считалась предрасположенной к случайному высокопроизводительному взрыву при случайном инициировании взрывчатого вещества, в отличие от сборки сферического взрыва, где асимметричный взрыв разрушает оружие, не вызывая ядерной детонации. Это потребовало особых конструктивных мер предосторожности и серии испытаний на безопасность, в том числе на безопасность по одной точке .

Разделение ямы между оружием [ править ]

Ямы могут быть разделены между конструкциями оружия. Например, говорят, что боеголовка W89 повторно использует ямы от W68 . Многие проекты ям стандартизированы и используются разными физическими пакетами; одни и те же пакеты физики часто используются в разных боеголовках. Ямы также можно использовать повторно; запечатанные ямы, извлеченные из разобранного оружия, обычно складываются для прямого повторного использования. Из-за низкой скорости старения плутоний-галлиевого сплава срок хранения ям оценивается в столетие и более. Самым старым карьерам в арсенале США все еще менее 50 лет. [ необходима цитата ]

Герметичные ямки можно разделить на склеенные и несвязанные. Ямы без склеивания можно демонтировать механически; токарное достаточно для отделения плутония. Переработка склеенных ям требует химической обработки. [17]

Утверждается, что ямы современного оружия имеют радиус около 5 см. [19] [ оспаривается - обсудить ]

Оружие и типы ям [ править ]

Ямы с оружием США [20] [21]
Лаборатория дизайнаОружиеТип ямыСтатусКомментарий
LANLB61 -3,10123Неизменный запас
LANLB61 -7,11125Неизменный запас
LANLB61 -4118Неизменный запас
LANLW76116Неизменный запасСамая термочувствительная конструкция LANL
LANLW78117Неизменный запас
LANLW80124Неизменный запасОтветственность передается LLNL
LANLW80119Неизменный запас
LANLW80-0Неизменный запасВысококачественный плутоний , низкий уровень радиации, для использования на море.
LANLW88126Неизменный запас
LLNLB83MC3350Неизменный запасСамая тяжелая яма, огнеупорная яма
LLNLW62MC2406Неизменный запас
LLNLW84?Неизменный запасОгнеупорная яма
LLNLW87MC3737Неизменный запасОгнеупорная яма
LANLB2883На пенсии
LANLB28-093На пенсииМинимальное тепло распада . W28-0 использовал внутреннюю инициацию, в то время как более поздние модификации B28 использовали внешнюю инициацию, вероятно, объясняя другую яму. [22]
LANLB4379На пенсииПокрытый бериллием
LANLB43-1101На пенсииПокрытый бериллием
LANLW4474На пенсииПокрытый бериллием
LANLW44 -1100На пенсииПокрытый бериллием
LANLW50-1103На пенсии
LANLW5481 годНа пенсииПеред длительным хранением требуется очистка
LANLW54-196На пенсииПеред длительным хранением требуется очистка
LANLB57104На пенсии
LANLW5990На пенсии
LANLB61-0110На пенсии
LANLB61 -2,5114На пенсии
LANLW66112На пенсии
LANLW69111На пенсии
LANLW85128На пенсии
LLNLW48MC1397На пенсииБериллиевое покрытие, требует очистки перед длительным хранением
LLNLW55MC1324На пенсииПредполагается, что он покрыт бериллием
LLNLW56MC1801На пенсииВысокая радиация, требует очистки перед длительным хранением
LLNLW68MC1978На пенсии
LLNLW70 -0MC2381На пенсии
LLNLW70 -1MC2381aНа пенсии
LLNLW70 -2MC2381bНа пенсии
LLNLW70 -3MC2381cНа пенсии
LLNLW71НеизвестныйНа пенсииПеред длительным хранением требуется очистка
LLNLW79MC2574На пенсииПредполагается, что он покрыт бериллием

Соображения безопасности [ править ]

Защита стальных шаров
Одноточечный тест на безопасность

Первое вооружение имело съемные ямы, которые устанавливались в бомбу незадолго до ее развертывания. Продолжающийся процесс миниатюризации привел к изменениям конструкции, в результате чего яма могла быть вставлена ​​на заводе во время сборки устройства. Это потребовало испытаний на безопасность, чтобы убедиться, что случайный взрыв взрывчатых веществ не вызовет полномасштабный ядерный взрыв; Проект 56 был одним из таких испытаний.

Случайный взрыв большой мощности всегда был проблемой. Конструкция с левитирующей ямой делала практичную возможность в полете вставлять ямы в бомбы, отделяя делящуюся сердцевину от взрывчатых веществ вокруг нее. Поэтому многие случаи случайных потерь и взрывов бомбы приводили только к рассеянию урана от тампера бомбы. Однако более поздние конструкции с полыми ямами, когда между ямой и трамбовкой не было места, сделали это невозможным.

Ямы более раннего оружия имели доступные внутренние полости. В целях безопасности в яму вставляли предметы и вынимали только при необходимости. Некоторые более крупные ямы, например, British Green Grass , имели внутреннюю полость, облицованную резиной и заполненную металлическими шарами; эта конструкция была импровизированной и далека от оптимальной, например, в том смысле, что подвергание защищенной ямы с шарами внутри вибрации, например, в самолете, могло привести к ее повреждению. Вместо этого можно использовать тонкую металлическую цепочку из материала, поглощающего нейтроны (такой же, как для управляющих стержней реактора , например кадмия ). W47 боеголовка была его яма заполнена кадмия борапроволока при ее изготовлении; при включении оружия провод вытаскивался на катушку маленьким мотором и не мог быть вставлен повторно. Однако проволока имела тенденцию становиться хрупкой и ломаться во время удаления, что делало невозможным ее полное удаление и превращало боеголовку в неисправную. [23]

Переход от сплошных ямок к полым вызвал проблемы с безопасностью работы; большее отношение поверхности к массе привело к сравнительно большему излучению гамма-лучей и потребовало установки лучшей радиационной защиты на производственном предприятии в Рокки Флэтс. Увеличение объемов прокатки и механической обработки привело к более высокому расходу машинного масла и тетрахлорметана , которые впоследствии использовались для обезжиривания деталей и приводили к образованию большого количества загрязненных отходов. В пирофорном плутонии стружка также создает риск самовоспламенения. [24]

Герметичные ямы требуют другого метода защиты. Используются многие методы, включая Permissive Action Links [25] и системы сильных слабых звеньев , предназначенные для отказа в случае аварии или неправильной последовательности постановки на охрану; к ним относятся механические блокировки, критические детали, которые могут выйти из строя в случае пожара или удара, и т. д.

Облицовка из бериллия технически выгодна, но представляет опасность для сотрудников оружейного завода. Обработка гильз тамперов дает пыль бериллия и оксидов бериллия ; его вдыхание может вызвать бериллиоз . К 1996 году Министерство энергетики США выявило более 50 случаев хронического бериллиоза среди сотрудников атомной промышленности, в том числе три десятка на заводе Роки-Флэтс; несколько человек погибли. [16]

После крушения самолета Palomares B-52 в 1966 году и крушения B-52 на авиабазе Туле в 1968 году безопасность оружия от случайного распространения плутония стала проблемой для американских военных.

Огнестойкие ямы ( FRP ) являются элементом безопасности современного ядерного оружия, уменьшая рассеивание плутония в случае пожара. Существующие ямы предназначены для хранения расплавленного плутония при температуре до 1000 ° C, приблизительной температуре горящего авиационного топлива, в течение нескольких часов. [26] Огнестойкие ямы не помогут в случаях, когда ямы рассыпаны взрывом; поэтому они используются вместе с нечувствительными бризантными взрывчатыми веществами , которые должны быть устойчивы к случайной детонации от удара или огня, и неразорвавшимися порохами при использовании в ракетах. Облицовка из ванадия была испытана для проектирования огнеупорных ям, но неизвестно, используется она или только экспериментальная. W87Боеголовка является примером сборки из стеклопластика. [27] FRP, однако, не обеспечивает защиту, если облицовка ямы механически повреждена, и может выйти из строя при возгорании ракетного топлива, которое имеет более высокую температуру горения (около 2000 ° C), чем авиационное топливо. [28] [29] Строгие ограничения по весу и размеру могут препятствовать использованию как FRP, так и нечувствительных взрывчатых веществ. [30] БРПЛ с учетом их размеров и более мощного и уязвимого топлива, как правило, менее безопасны, чем межконтинентальные баллистические ракеты . [31]

Другие энергетические материалы в непосредственной близости от котлована также влияют на его безопасность. Ракетное топливо США делится на два основных класса. Класс 1.3, пожароопасность, но очень трудно или невозможно взорвать; пример - 70% перхлората аммония , 16% алюминия и 14% связующего. Класс 1.1 по пожарной и детонационной опасности представляет собой двухосновное топливо на основе сшитого полимера, содержащее 52% октогена , 18% нитроглицерина., 18% алюминия, 4% перхлората аммония и 8% связующего. Пропеллент 1.1 имеет на 4% больший удельный импульс (около 270 с по сравнению с 260 с), что дает на 8% больший диапазон при постоянном времени горения. Нечувствительные осколочные взрывчатые вещества также менее мощны, что требует более крупных и тяжелых боеголовок, что снижает дальность действия ракеты или снижает мощность. Компромисс между безопасностью и производительностью особенно важен, например, для подводных лодок . [29] По состоянию на 1990 год в БРПЛ « Трайдент» использовалось как детонируемое топливо, так и нечувствительные взрывчатые вещества. [32]

Существенные соображения [ править ]

Отливка и последующая обработка плутония затруднительны не только из-за его токсичности, но и из-за того, что плутоний имеет множество различных металлических фаз , также известных как аллотропы . По мере охлаждения плутония изменения фазы приводят к искажению и растрескиванию. Это искажение обычно преодолевается путем легирования его 3–3,5 мол.% (0,9–1,0% по весу) галлия , образуя плутоний-галлиевый сплав , который заставляет его поглощать свою дельта-фазу в широком диапазоне температур. [33] При охлаждении из расплава он затем претерпевает только одно фазовое изменение, от эпсилон на дельта, вместо четырех изменений, через которые он в противном случае прошел бы. Другие трехвалентные металлы также подойдут, но галлий имеет небольшой нейтрон.поперечное сечение поглощения и помогает защитить плутоний от коррозии . Недостатком является то, что соединения галлия сами по себе 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. [34] В устройстве применено гальваническое серебряное покрытие; впоследствии был использован никель, осажденный из паров тетракарбонила никеля [34], но сейчас предпочтение отдается золоту . [ необходима цитата ]

Для изготовления первых ям использовалось горячее прессование, чтобы оптимально использовать дефицитный плутоний. В более поздних конструкциях использовались механически обработанные ямы, но при токарной обработке образуется большое количество отходов в виде пирофорной стружки, содержащей плутоний и загрязненные плутонием масла и смазочно-охлаждающие жидкости . Задача на будущее - прямая заливка котлована. Однако в отсутствие ядерных испытаний несколько различающаяся природа литых и обработанных поверхностей может затруднить предсказание различий в характеристиках. [35]

Проблемы с коррозией [ править ]

И уран, и плутоний очень подвержены коррозии . Ряд проблемных боеголовок W47 UGM-27 Polaris пришлось заменить после того, как во время текущего обслуживания была обнаружена коррозия делящегося материала. В W58 ямы также пострадали проблемы коррозии. [36] W45 яма была склонна к коррозии , что может привести к изменению его геометрии. [37] Зеленая трава яма была также коррозионно-склонными. Радиоактивность используемых материалов также может вызвать радиационную коррозию.в окружающих материалах. Плутоний очень чувствителен к влажности; влажный воздух увеличивает скорость коррозии примерно в 200 раз. Водород оказывает сильное каталитическое действие на коррозию; его присутствие может увеличить скорость коррозии на 13 порядков. Водород может быть получен из влаги и близлежащих органических материалов (например, пластмасс) путем радиолиза . Эти факторы вызывают проблемы с хранением плутония. Увеличение объема при окислении может вызвать разрыв емкостей для хранения или деформацию ямок. [38]

Загрязнение ямы дейтерием и тритием, будь то случайное или заполненное по конструкции, может вызвать гидридную коррозию, которая проявляется в виде точечной коррозии и роста поверхностного покрытия из пирофорного гидрида плутония . Это также значительно увеличивает скорость коррозии кислородом воздуха. [17] Дейтерий и тритий также вызывают водородное охрупчивание многих материалов.

Неправильное хранение может вызвать коррозию ямок. Сообщается, что контейнеры AL-R8, используемые на предприятии Pantex для хранения ям, способствуют, а не препятствуют коррозии, и имеют тенденцию к коррозии. Тепло распада, выделяемое ямами, также вызывает беспокойство; некоторые ямы при хранении могут достигать температуры до 150 ° C, а помещения для хранения большего количества ям могут потребовать активного охлаждения. Контроль влажности также может создавать проблемы при хранении в ямах. [39]

Облицовка из бериллия может подвергаться коррозии под действием некоторых растворителей, используемых для очистки ямок. Исследования показали, что трихлорэтилен (TCE) вызывает коррозию бериллия, а трихлорэтан (TCA) - нет. [40] Точечная коррозия бериллиевой оболочки является серьезной проблемой при длительном хранении ям на предприятии Pantex .

Проблемы изотопного состава [ править ]

Наличие плутония-240 на пит материале вызывает увеличение производства тепла и нейтроны, ухудшает эффективность деления и увеличивает риск Предвзрывных и Fizzle . Таким образом, оружейный плутоний имеет содержание плутония-240 не более 7%. Суперсильный плутоний содержит менее 4% изотопа 240 и используется в системах, где радиоактивность вызывает озабоченность, например, в вооружении ВМС США, которое вынуждено делить замкнутые пространства на кораблях и подводных лодках с экипажами.

Плутоний-241 , обычно содержащий около 0,5% оружейного плутония, распадается до америция-241 , который является мощным излучателем гамма-излучения . Спустя несколько лет америций накапливается в металлическом плутонии, что приводит к увеличению гамма-активности, что создает профессиональную опасность для рабочих. Поэтому америций следует отделять, обычно химически, от вновь произведенного и переработанного плутония. [18] Тем не менее, примерно в 1967 году завод Rocky Flats прекратил это разделение, направив до 80% старых америцийсодержащих карьеров непосредственно в литейный цех, чтобы снизить затраты и повысить производительность; это привело к более высокому воздействию гамма-излучения на рабочих. [24]

Проблемы старения [ править ]

Металлический плутоний, особенно в виде плутоний-галлиевого сплава, разлагается главным образом за счет двух механизмов: коррозии и самооблучения.

В очень сухом воздухе плутоний, несмотря на свою высокую химическую активность, образует пассивирующий слой оксида плутония (IV), который замедляет коррозию примерно до 200 нанометров в год. Однако во влажном воздухе этот пассивирующий слой разрушается, и коррозия идет в 200 раз быстрее (0,04 мм / год) при комнатной температуре и в 100 000 раз быстрее (20 мм / год) при 100 ° C. Плутоний отделяет воду от кислорода, поглощает выделившийся водород и образует гидрид плутония . Слой гидрида может расти со скоростью до 20 см / час, для более тонких оболочек его образование можно считать практически мгновенным. В присутствии воды диоксид плутония становится гиперстехиометрическим, вплоть до PuO 2,26 . Плутониевая стружка может самовоспламеняться; механизм включает образование Pu 2Слой O 3 , который затем быстро окисляется до PuO 2 , и выделяемого тепла достаточно, чтобы довести мелкие частицы с низкой тепловой массой до температуры самовоспламенения (около 500 ° C).

Самооблучение происходит, когда плутоний подвергается альфа-распаду . Распадающийся атом плутония-239 высвобождает альфа-частицу и ядро урана-235 . Альфа-частица имеет энергию более 5 МэВ и в металлической решетке имеет диапазон около 10 микрометров; затем он останавливается, получает два электрона от соседних атомов и становится атомом гелия . Загрязняющий плутоний-241 бета-распад превращается в америций-241 , который затем альфа-распад до нептуний-237 .

Альфа-частицы теряют большую часть своей энергии электронам, что проявляется в нагревании материала. Более тяжелое ядро ​​урана имеет энергию около 85 кэВ, и около трех четвертей ее депонируется в виде каскада атомных смещений; само ядро ​​урана имеет размер решетки около 12 нанометров. Каждое такое событие распада влияет примерно на 20000 других атомов, 90% из которых остаются в узле своей решетки и только термически возбуждаются, а остальные смещаются, что приводит к образованию около 2500 пар Френкеля и локальному тепловому всплеску длительностью несколько пикосекунд, в течение которого вновь образованные дефекты рекомбинируют или мигрируют. В типичном массивном материале оружейного качества каждый атом смещается в среднем один раз в 10 лет.

При криогенных температурах, когда отжиг практически не происходит, α-фаза плутония расширяется (набухает) во время самооблучения, δ-фаза заметно сжимается, а β-фаза немного сжимается. Повышается электрическое сопротивление, что свидетельствует об увеличении дефектов решетки. Все три фазы с достаточным временем сходятся в аморфноподобное состояние со средней плотностью 18,4 г / см 3 . Однако при нормальной температуре большая часть повреждений отжигается; более 200 тыс. вакансий становятся мобильными, а примерно при 400 тыс. кластеры междоузлий и вакансий рекомбинируют, залечивая повреждения. Плутоний, хранящийся при некриогенных температурах, не показывает признаков серьезных макроскопических структурных изменений по прошествии более 40 лет.

После 50 лет хранения типичный образец содержит 2000 частей на миллион гелия, 3700 частей на миллион америция, 1700 частей на миллион урана и 300 частей на миллион нептуния. Один килограмм материала содержит 200 см 3 гелия, что составляет три атмосферы давления в том же пустом объеме. Гелий мигрирует по решетке аналогично вакансиям и может в них захватываться. Вакансии, занятые гелием, могут сливаться, образуя пузыри и вызывая набухание. Однако отек пустот более вероятен, чем отек пузырей. [41]

Производство и инспекции [ править ]

Система радиационной идентификации входит в число методов, разработанных для инспекций ядерного оружия. Он позволяет снимать отпечатки пальцев с ядерного оружия, чтобы можно было проверить его личность и статус. Используются различные физические методы, в том числе гамма-спектроскопия с германиевыми детекторами высокого разрешения . Линия 870,7 кэВ в спектре, соответствующая первому возбужденному состоянию кислорода-17 , указывает на присутствие оксида плутония (IV) в образце. Возраст плутония можно установить, измерив соотношение плутония-241 и продукта его распада, америция-241 . [42]Однако даже пассивные измерения гамма-спектров могут быть спорным вопросом при международных инспекциях оружия, поскольку они позволяют охарактеризовать используемые материалы, например, изотопный состав плутония, который можно считать секретом.

Между 1954 и 1989 годами ямы для американского оружия производились на заводе Rocky Flats ; Позже завод был закрыт из-за многочисленных проблем с безопасностью. Департамент энергетики попытался возобновить производство ямы, но неоднократно не удался. В 1993 году Министерство энергетики переместило производство бериллия с не существующего завода Rocky Flats в Национальную лабораторию Лос-Аламоса ; в 1996 году сюда же было перенесено карьерное производство. [43] Резервные и избыточные ямы, а также ямы, извлеченные из разобранного ядерного оружия, всего более 12 000 единиц, хранятся на заводе Pantex . [17]5000 из них, содержащие около 15 тонн плутония, определены как стратегические резервы; остальное - излишки, подлежащие изъятию. [44] Текущее производство новых ям LANL ограничено примерно 20 ямами в год, хотя NNSA настаивает на увеличении производства для программы надежной замены боеголовок . Однако Конгресс США неоднократно отказывался от финансирования.

Примерно до 2010 года Лос-Аламосская национальная лаборатория могла производить от 10 до 20 питов в год. Центр замены химико-металлургических исследований (CMMR) расширит эту возможность, но неизвестно насколько. В отчете Института оборонного анализа, написанном до 2008 года, оценивается «будущая потребность в добыче карьера на уровне 125 в год на CMRR с возможностью всплеска в 200» [45].

Россия хранит материал из выведенных из эксплуатации карьеров на предприятии « Маяк ». [46]

Переработка ямы [ править ]

Извлечение плутония из выведенных из эксплуатации карьеров может быть достигнуто множеством способов, как механических (например, удаление оболочки на токарном станке ), так и химических. Обычно используется гидридный метод; яма разрезается пополам, половина ямы закладывается изнутри вниз над воронкой и тиглем в герметичном аппарате, и в пространство впрыскивается некоторое количество водорода. Водород реагирует с плутонием, образуя гидрид плутония., который попадает в воронку и тигель, где плавится, выделяя водород. Плутоний также можно превратить в нитрид или оксид. Таким образом можно удалить практически весь плутоний из карьера. Процесс осложняется большим разнообразием конструкций и составов сплавов карьеров, а также наличием композитных уран-плутониевых карьеров. Оружейный плутоний также должен быть смешан с другими материалами, чтобы изменить его изотопный состав настолько, чтобы препятствовать его повторному использованию в оружии.

См. Также [ править ]

  • Ядерные свойства бериллия
  • Чарльз Аллен Томас
  • Дейтонский проект
  • Эдвард Кондон
  • Юджин Вигнер
  • Георгий Кистяковский
  • Джеймс Л. Так
  • Модулированный нейтронный инициатор
  • Эффект Манро
  • Полоний
  • Сверхчистый плутоний
  • Еж

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Ограниченные решения о рассекречивании данных с 1945 г. по настоящее время» - «Факт, что плутоний и уран могут быть связаны друг с другом в неуказанных ямах или оружии».
  2. ^ «Создание атомной бомбы Нагасаки» . Сеть историй. Архивировано из оригинального 10 -го октября 2014 года . Проверено 12 октября 2014 года .
  3. ^ Веллерстайн, Алекс. «Гаджет Кристи: Размышления о смерти» . Блог с ограниченными данными . Проверено 7 октября 2014 года .
  4. ↑ «Ганс Бете 94 - Помощь от британцев и« Кристи Гаджет » » . Сеть историй . Проверено 12 октября 2014 года .
  5. ^ Hoddeson et al. 1993 , с. 307–308.
  6. ^ Ташнер, Джон С. "Аварии с ядерным оружием" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 04 марта 2012 года . Проверено 9 ноября 2014 .
  7. ↑ Испытание атомной бомбы для "Толстяка"
  8. ^ Бюллетень ученых-атомщиков - Knihy Google
  9. ^ Broken Arrow # 1 (электронная книга) - Джон Клируотер - Knihy Google
  10. ^ http://www.nuclear-weapons.info/cde.htm#Composite%20Core
  11. ^ http://www.nuclear-weapons.info/cde.htm#Composite%20Core%20Pre-detonation
  12. ^ http://nuclearweaponarchive.org/Library/Plutonium/
  13. ^ Джон Клируотер (1999). Ядерное оружие США в Канаде . Dundurn Press Ltd. стр. 99. ISBN 1-55002-329-2.
  14. ^ http://www.nuclear-weapons.info/vw.htm#Violet%20Club
  15. ^ ядерное оружие.инфо . Nuclear-weapons.info. Проверено 8 февраля 2010.
  16. ^ а б Лен Экленд (1999). Настоящее убийство: Рокки Флэтс и ядерный Запад . UNM Press. п. 75. ISBN 0-8263-1877-0.
  17. ^ a b c d Южная антиплутониевая кампания BREDL . Bredl.org (22 августа 1995 г.). Проверено 8 февраля 2010.
  18. ^ a b Ядерные пустоши: глобальное руководство по производству ядерного оружия и его последствиям для здоровья и окружающей среды Арджуна Махиджани, Кэтрин Йих, MIT Press, 2000 ISBN 0-262-63204-7 , стр. 58 
  19. ^ Джозеф Cirincione (2008). Страх бомбы: история и будущее ядерного оружия . Издательство Колумбийского университета. п. 184. ISBN 978-0-231-13511-5.
  20. ^ "BREDL Southern Anti-Plutonium Campaign" . Bredl.org. 1995-08-22 . Проверено 21 февраля 2010 .
  21. ^ Jill C Fahrenholtz (сентябрь 1997). Разработка автоматизированной системы упаковки приямков для Pantex (PDF) (Отчет). Национальная лаборатория Сандии. п. 15. SAND 97-2163. Архивировано из оригинального (PDF) 15 февраля 2020 года . Проверено 9 февраля 2021 .
  22. ^ История Mk28 (Отчет). Сандийские национальные лаборатории. Август 1968 г.
  23. ↑ Грант Эллиотт, «Безопасность и контроль над ядерным оружием в США». Архивировано 8 мая2010 г.на Wayback Machine, 2005 г.
  24. ^ a b "Совершение настоящего убийства: Скалистые равнины и ядерный Запад" , Лен Экленд, стр. 131, University of New Mexico Press, 2002 ISBN 0-8263-2798-2 
  25. ^ "Разрешающие ссылки действия" . Колумбийский университет. Проверено 8 февраля 2010 года.
  26. ^ «Огнестойкие ямы» . ArmsControlWonk (24 сентября 2007 г.). Проверено 8 февраля 2010 года.
  27. ^ «Стратегические ядерные силы США» . Бюллетень ученых-атомщиков . 54 (1). Январь 1998 г.
  28. ^ Натан Э. Буш (2004). Конца не видно: сохраняющаяся угроза распространения ядерного оружия . Университетское издательство Кентукки. п. 51. ISBN 0-8131-2323-2.
  29. ^ a b Сидни Д. Дрелл, Сидней Дэвид Дрелл (2007). Ядерное оружие, ученые и вызовы после холодной войны: избранные статьи по контролю над вооружениями . World Scientific. п. 151. ISBN. 978-981-256-896-0.
  30. Перейти ↑ MV Ramana (2003). Узники ядерной мечты . Orient Blackswan. п. 19. ISBN 81-250-2477-8.
  31. ^ Физика социальных проблем: расчеты по национальной безопасности, окружающей среде и энергии . Springer. 2007. с. 177. ISBN. 978-0-387-95560-5.
  32. ^ Брюс Д. Ларкин (1996). Ядерные замыслы: Великобритания, Франция и Китай в глобальном управлении ядерным оружием . Издатели транзакций. п. 272. ISBN. 1-56000-239-5.
  33. ^ "Ограниченные решения о рассекречивании данных с 1946 года до настоящего времени"
  34. ^ a b Раздел «Расщепляющиеся материалы » в FAQ по ядерному оружию , Carey Sublette. Проверено 23 сентября 2006 года.
  35. ^ Майкл Э. О'Хэнлон (2009). Наука войны: оборонный бюджет, военные технологии, материально-техническое обеспечение и боевые результаты . Издательство Принстонского университета. п. 221. ISBN. 978-0-691-13702-5.
  36. ^ От Полярной звезды к Трайденту: развитие технологии баллистических ракет флота США Грэмом Спинарди, том 30 Кембриджских исследований по международным отношениям, Cambridge University Press, 1994 ISBN 0-521-41357-5 , стр. 204 
  37. ^ Словарь по контролю над вооружениями, разоружению и военной безопасности Джеффри М. Эллиота, Роберта Реджинальда, Wildside Press, 2007 ISBN 1-4344-9052-1 
  38. ^ Исследования старения и продление срока службы материалов Лесли Г. Маллинсон, Springer, 2001 ISBN 0-306-46477-2 
  39. ^ Техасская радиация онлайн - Плутониевый завод Pantex - Ядерное оружие . Texasradiation.org. Проверено 8 февраля 2010.
  40. ^ URA Выполнение архивация 2009-04-14 в Wayback Machine . Uraweb.org. Проверено 8 февраля 2010.
  41. ^ https://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00818029.pdf
  42. ^ Приложение 8A. Развитие технологий в России и США в поддержку инициатив по обеспечению прозрачности ядерных боеголовок и материалов. Архивировано 5 августа 2009 г. на Wayback Machine Олегом Бухариным.
  43. ^ NWNM | Производство плутониевых ям в США . Nukewatch.org. Проверено 8 февраля 2010.
  44. ^ Сьюзан Уиллетт, Институт ООН по исследованию разоружения (2003). Затраты на разоружение - затраты на разоружение: контроль над ядерными вооружениями и ядерное перевооружение . Публикации Организации Объединенных Наций. п. 68. ISBN 92-9045-154-8.
  45. ^ Пейн, Corey (21 августа 2010). «Это ямы: Лос-Аламос хочет потратить миллиарды на новые ядерные триггеры» . Репортер Санта-Фе . Проверено 25 сентября 2010 года .
  46. ^ Национальная академия наук (2005). Мониторинг ядерного оружия и ядерно-взрывных материалов . Национальная академия прессы. п. 117. ISBN 0-309-09597-2.