Инициатор модулированных нейтронов представляет собой источник нейтронов, способный производить всплеск нейтронов при активации. Это важнейшая часть некоторых видов ядерного оружия , поскольку его роль заключается в том, чтобы «запустить» цепную реакцию в оптимальный момент, когда конфигурация становится критической . Он также известен как внутренний нейтронный инициатор . Инициатор обычно размещается в центре плутониевой ямы и активируется ударом сходящейся ударной волны .
Одним из ключевых элементов правильной эксплуатации ядерного оружия является своевременное инициирование цепной реакции деления. Чтобы получить значительный ядерный выход, в сверхкритической активной зоне в нужное время должно присутствовать достаточное количество нейтронов. Если цепная реакция начнется слишком рано (« преддетонация »), результатом будет только « выход шипения », значительно ниже проектной спецификации. Если это произойдет слишком поздно, ядро начнет расширяться и разбираться в менее плотное состояние, что приведет к снижению выхода (меньшая часть материала активной зоны подвергается делению) или вообще к отсутствию выхода (ядро больше не является критической массой). ). Поэтому решающее значение имеет низкая спонтанная эмиссия нейтронов из материала карьера.
Для форсированного оружия деления размер центрально расположенного инициатора имеет решающее значение и должен быть как можно меньшим. Использование внешнего источника нейтронов обеспечивает большую гибкость, например, переменный выход.
Обычная конструкция основана на комбинации бериллия -9 и полония-210 , разделенных до активации, а затем находящихся в тесном контакте ударной волной. Полоний-208 и актиний-227 также рассматривались как источники альфа-излучения. Используемый изотоп должен иметь сильное альфа-излучение и слабое гамма-излучение, поскольку гамма-фотоны также могут выбивать нейтроны и не могут быть так эффективно экранированы, как альфа-частицы. [1] Было разработано несколько вариантов, отличающихся размерами и механической схемой системы, обеспечивающей правильное смешивание металлов.
Urchin — кодовое название внутреннего нейтронного инициатора, используемого Лос-Аламосской лабораторией в качестве устройства, генерирующего нейтроны, для запуска ядерного взрыва самых первых плутониевых атомных бомб , таких как «Гаджет» и «Толстяк» , после того, как критическая масса была «собрана» сила обычной взрывчатки.
Инициатор, использовавшийся в первых устройствах, расположенный в центре плутониевой ямы бомбы , состоял из бериллиевой таблетки и бериллиевой оболочки с полонием между ними. Таблетку диаметром 0,8 см покрывали никелем , а затем слоем золота . Бериллиевая оболочка имела внешний диаметр 2 см и толщину стенок 0,6 см. Внутренняя поверхность этой раковины имела 15 концентрических клиновидных широтных канавок и была, как и внутренняя сфера, покрыта золотом и никелем. [2] [3] Небольшое количество полония-210 (50 кюри, 11 мг) осаждалось в канавках оболочки и на центральной сфере: слои золота и никеля служили защитой бериллия от альфа-частиц , испускаемых полоний. Весь еж весил около 7 граммов и крепился к монтажным кронштейнам во внутренней полости диаметром 2,5 см в яме. [4]
Когда приходит ударная волна от взрыва плутониевого ядра, она сокрушает инициатор. Гидродинамические силы , действующие на рифленую оболочку, тщательно и практически мгновенно перемешивают бериллий и полоний, позволяя альфа-частицам полония сталкиваться с атомами бериллия. Реагируя на бомбардировку альфа-частицами, атомы бериллия испускают нейтроны со скоростью примерно 1 нейтрон каждые 5–10 наносекунд (см. Бериллий ). Эти нейтроны запускают цепную реакцию в сжатом сверхкритическом плутонии. Размещение слоя полония между двумя большими массами бериллия обеспечивает контакт металлов, даже если турбулентность ударной волны работает плохо.
50 кюри полония произвели около 0,1 Вт остаточного тепла , заметно нагрев небольшую сферу. [5]
Канавки на внутренней поверхности оболочки формировали ударную волну в струи за счет эффекта Манро , аналогично кумулятивному заряду , для быстрого и тщательного перемешивания бериллия и полония. Поскольку эффект Манро менее надежен в линейной геометрии, в более поздних конструкциях вместо линейных канавок использовалась сфера с коническими или пирамидальными внутренними углублениями. В некоторых конструкциях инициаторов центральная сфера отсутствует, а вместо этого она является полой. Преимущество полой конструкции, возможно, заключается в меньшем размере при сохранении надежности.
Короткий период полураспада полония (138,376 дней) требовал частой замены инициаторов и постоянного снабжения полония для их производства, так как срок их хранения составлял всего около 4 месяцев. [6] Более поздние разработки имели срок годности до 1 года.
Правительство США использовало Постум в качестве кодового названия полония. [7]
Использование полония в качестве нейтронного инициатора было предложено в 1944 году Эдвардом Кондоном , хотя полоний в качестве инициатора упоминался как возможность в лекциях « Los Alamos Primer », прочитанных в апреле 1943 года. Сам инициатор был разработан Джеймсом Л. Таком , [ 8], а его разработка и испытания проводились в Лос-Аламосской национальной лаборатории в группе инициаторов подразделения « Гаджет » под руководством Чарльза Кричфилда . [9]
Для урановой бомбы Little Boy использовался другой инициатор (кодовое название ABNER) . Его конструкция была проще и содержала меньше полония. Он активировался при попадании уранового снаряда в цель. Он был добавлен в конструкцию в последнюю очередь и не имел существенного значения для функционирования оружия. [10]
Усовершенствованная конструкция инициатора, вероятно, основанная на конических или пирамидальных углублениях, была предложена в 1948 году, запущена в производство в Лос-Аламосе в январе 1950 года и испытана в мае 1951 года. В конструкции ТОМ использовалось меньше полония, поскольку количество нейтронов на миллиграмм полония было выше, чем у Урчина. Его внешний диаметр составлял всего 1 см. Первое боевое испытание инициатора ТОМ произошло 28 января 1951 года во время выстрела Бейкер-1 в ходе операции «Рейнджер» . [11] Серия экспериментов по калибровке времени инициации в зависимости от данных о выходе инициаторов TOM была проведена во время операции Snapper во время испытания Фокса 25 мая 1952 года.
В 1974 году Индия провела ядерное испытание «Улыбающийся Будда» . Инициатор под кодовым названием «Цветок» был основан на том же принципе, что и Еж. Считается, что полоний был нанесен на платиновую сетку в форме лотоса , чтобы максимально увеличить ее поверхность, и заключен в танталовую сферу, окруженную урановой оболочкой со встроенными гранулами бериллия. Согласно другим источникам, конструкция была еще больше похожа на «Еж»: бериллиевая оболочка имела форму, создающую бериллиевые струи при взрыве. Сообщается, что внешний диаметр инициатора составляет 1,5 см или «около 2 см». [12]
Дейтерид урана (УД 3 ) может быть использован для создания умножителя нейтронов. [13] [14]
Оружие форсированного деления и оружие, использующее внешние генераторы нейтронов, предлагают возможность переменной мощности , что позволяет выбирать мощность оружия в зависимости от тактических потребностей.
Полоний, используемый в инициаторе ежа, был создан в Национальной лаборатории Ок-Ридж , а затем извлечен и очищен в рамках Дейтонского проекта под руководством Чарльза Аллена Томаса . Дейтонский проект был одним из объектов Манхэттенского проекта .
В 1949 году лаборатория Mound Laboratories в соседнем Майамисбурге, штат Огайо, открылась вместо Дейтонского проекта и стала новым центром исследований и разработок ядерных инициаторов. Полоний-210 был получен нейтронным облучением висмута . Производство и исследования полония в Маунде были прекращены в 1971 году. [15]
Полоний из Дейтона использовался подразделением G Лос-Аламоса в исследованиях по проектированию инициатора на испытательном полигоне в каньоне Сандия. Группа инициаторов построила испытательные сборки, просверлив отверстия в больших шарикоподшипниках турбин, вставив активный материал и заткнув отверстия болтами. Эти тестовые сборки были известны как чудаки . Испытательные сборки были взорваны, а их останки изучены, чтобы проверить, насколько хорошо смешались полоний и бериллий. [16]
Производство бериллий-полониевых инициаторов ТОМ закончилось в 1953 году. Инициаторы были заменены на другую конструкцию, что немного снизило мощность оружия, но более длительный срок хранения упростил логистику. [17] Герметичный нейтронный инициатор , принятый на вооружение в конце 1954 года, все еще требовал периодической разборки для доступа к капсуле для технического обслуживания. Капсулы были полностью сняты с производства в 1962 году. [18]
Инициаторы типа Urchin позже были заменены другими способами генерации нейтронов, такими как импульсные нейтронные излучатели , в которых не используется полоний. Используя тритий с периодом полураспада 12,3 года вместо полония, они имеют гораздо больший интервал замены. Они устанавливаются снаружи ямы и управляются электрически, поскольку нейтроны легко проходят сквозь значительную массу без взаимодействия. Эти инициаторы были более управляемыми и позволяли значительно повысить надежность оружия.