Модулированный нейтронный инициатор — это источник нейтронов , способный производить всплеск нейтронов при активации. Он является важнейшей частью некоторого ядерного оружия , поскольку его роль заключается в «запуске» цепной реакции в оптимальный момент, когда конфигурация становится критической . Он также известен как внутренний нейтронный инициатор . Инициатор обычно размещается в центре плутониевой ямы и активируется воздействием сходящейся ударной волны .
Одним из ключевых элементов правильной работы ядерного оружия является инициирование цепной реакции деления в нужное время. Для получения значительного ядерного выхода в надкритическом ядре должно присутствовать достаточное количество нейтронов в нужное время. 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 распадаться в менее плотное состояние, что приведет к снижению выхода (меньше материала ядра подвергается делению) или вообще к отсутствию выхода (ядро больше не имеет критической массы). Поэтому низкий спонтанный выброс нейтронов материалом пит имеет решающее значение.
Для усиленного оружия деления размер центрального инициатора имеет решающее значение и должен быть как можно меньше. Использование внешнего источника нейтронов обеспечивает большую гибкость, например, переменные выходы.
Обычная конструкция основана на сочетании бериллия -9 и полония-210 , разделенных до активации, а затем помещенных в тесный контакт ударной волной. Полоний-208 и актиний-227 также рассматривались как источники альфа-частиц. 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 конфигурацией системы, обеспечивающей надлежащее смешивание металлов.
Urchin — кодовое название внутреннего нейтронного инициатора, использовавшегося в Лос-Аламосской лаборатории в качестве устройства для генерации нейтронов , с помощью которого осуществлялась ядерная детонация самых первых плутониевых атомных бомб, таких как «Гаджет» и «Толстяк» , после того, как критическая масса была «собрана» силой обычных взрывчатых веществ.
Инициатор, используемый в ранних устройствах, расположенный в центре плутониевой ямы бомбы , состоял из бериллиевой таблетки и бериллиевой оболочки с полонием между ними. Таблетка диаметром 0,8 см была покрыта никелем , а затем слоем золота . Бериллиевая оболочка имела внешний диаметр 2 см с толщиной стенки 0,6 см. Внутренняя поверхность этой оболочки имела 15 концентрических клиновидных поперечных канавок и была, как и внутренняя сфера, покрыта золотом и никелем. [2] [3] Небольшое количество полония-210 (50 кюри, 11 мг) было нанесено в канавки оболочки и на центральную сферу: слои золота и никеля служили для защиты бериллия от альфа-частиц , испускаемых полонием. Весь ёж весил около 7 граммов и был прикреплен к монтажным кронштейнам во внутренней полости диаметром 2,5 см в яме. [4]
Когда ударная волна от взрыва плутониевого ядра достигает цели, она сминает инициатор. Гидродинамические силы, действующие на рифленую оболочку, тщательно и практически мгновенно перемешивают бериллий и полоний, позволяя альфа-частицам из полония сталкиваться с атомами бериллия. Реагируя на бомбардировку альфа-частицами, атомы бериллия испускают нейтроны со скоростью около 1 нейтрона 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 выработали около 0,1 Вт тепла распада , заметно нагрев небольшую сферу. [5]
Канавки на внутренней поверхности оболочки формировали ударную волну в струи с помощью эффекта Манро , аналогично кумулятивному заряду , для быстрого и тщательного смешивания бериллия и полония. Поскольку эффект Манро менее надежен в линейной геометрии, более поздние конструкции использовали сферу с коническими или пирамидальными внутренними углублениями вместо линейных канавок. Некоторые конструкции инициаторов исключают центральную сферу, делая ее полой. Преимущество полой конструкции, возможно, заключается в управлении меньшим размером при сохранении надежности.
Короткий период полураспада полония (138,376 дней) требовал частой замены инициаторов и постоянной поставки полония для их производства, поскольку срок их хранения составлял всего около 4 месяцев. [6] Более поздние конструкции имели срок хранения до 1 года.
Правительство США использовало Postum 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 « Gadget » под руководством Чарльза Критчфилда [9] .
Другой инициатор (кодовое название ABNER) использовался для урановой бомбы Little Boy . Его конструкция была проще, и он содержал меньше полония. Он активировался при ударе уранового снаряда о цель. Он был добавлен в конструкцию в качестве запоздалой мысли и не был необходим для функционирования оружия. [10]
Улучшенная конструкция инициатора, вероятно, основанная на конических или пирамидальных углублениях, была предложена в 1948 году, запущена в производство Лос-Аламосом в январе 1950 года и испытана в мае 1951 года. Конструкция TOM использовала меньше полония, так как число нейтронов на миллиграмм полония было выше, чем у Urchin. Его внешний диаметр составлял всего 1 см. Первое испытание боевого огня инициатора TOM состоялось 28 января 1951 года во время выстрела Baker-1 в ходе операции Ranger . [11] Серия калибровочных экспериментов для времени инициирования в зависимости от данных о выходе инициаторов TOM была проведена во время операции Snapper , во время испытания Fox 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 Urchin. Считается, что полоний был нанесен на платиновую сетку в форме лотоса , чтобы максимизировать его поверхность, и заключен в танталовую сферу, окруженную урановой оболочкой со встроенными бериллиевыми гранулами. Согласно другим источникам, конструкция была еще больше похожа на Urchin, с бериллиевой оболочкой, имеющей форму, позволяющую создавать бериллиевые струи при взрыве. Сообщается, что внешний диаметр инициатора составляет 1,5 см или «около 2 см». [12]
Дейтерид урана (UD 3 ) может быть использован для создания нейтронного умножителя. [13] [14]
Оружие с усиленным делением и оружие с использованием внешних нейтронных генераторов обеспечивает возможность переменной мощности , позволяя выбирать мощность оружия в зависимости от тактических потребностей.
Полоний, используемый в инициаторе urchin, был создан в Национальной лаборатории Оук-Ридж , а затем извлечен и очищен в рамках Дейтонского проекта под руководством Чарльза Аллена Томаса . Дейтонский проект был одним из различных участков, входящих в Манхэттенский проект .
В 1949 году в Маунд Лабораториз в соседнем Майамисбурге, штат Огайо, открылись лаборатории в качестве замены проекта Дейтон и нового дома для исследований и разработок ядерного инициатора. Полоний-210 был получен путем нейтронного облучения висмута . Производство и исследования полония в Маунде были прекращены в 1971 году. [15]
Полоний из Дейтона использовался G Division of Los Alamos в исследованиях по проектированию инициаторов на испытательном полигоне в каньоне Сандия. Группа инициаторов построила испытательные сборки, просверлив отверстия в больших шарикоподшипниках турбины, вставив активный материал и заткнув отверстия болтами. Эти испытательные сборки были известны как screwballs . Испытательные сборки были взорваны, и их останки были изучены, чтобы проверить, насколько хорошо смешались полоний и бериллий. [16]
Производство бериллиево-полониевых инициаторов TOM было прекращено в 1953 году. Инициаторы были заменены на другую конструкцию, что немного снизило выход оружия, но более длительный срок хранения снизил сложность логистики. [17] Герметичный нейтронный инициатор , принятый на вооружение в конце 1954 года, по-прежнему требовал периодической разборки для доступа к его капсуле для проверки технического обслуживания. Капсулы были полностью сняты с производства в 1962 году. [18]
Инициаторы в стиле Urchin позже были заменены другими способами генерации нейтронов, такими как импульсные нейтронные излучатели , которые не используют полоний. Используя тритий с периодом полураспада 12,3 года вместо полония, они имеют гораздо более длительный интервал замены. Они установлены снаружи ямы и электрически управляются, поскольку нейтроны легко проходят через значительную массу без взаимодействия. Эти инициаторы были более контролируемыми и позволяли значительно повысить надежность оружия.