Тампер (ядерное оружие)

Компонент ядерного оружия

В ядерном оружии тампер — это необязательный слой плотного материала, окружающий делящийся материал . Он используется в конструкции ядерного оружия для уменьшения критической массы и задержки расширения реагирующего материала за счет его инерции , что задерживает тепловое расширение делящейся топливной массы, дольше сохраняя ее сверхкритической. Часто один и тот же слой служит и тампером, и отражателем нейтронов . Оружие распадается по мере протекания реакции, и это останавливает реакцию, поэтому использование тампера обеспечивает более длительный, более энергичный и более эффективный взрыв. Выход может быть дополнительно увеличен с помощью делящегося тампера.

Первое ядерное оружие использовало тяжелые тамперы из природного урана или карбида вольфрама , но тяжелый тампер требует более крупной взрывчатой ​​имплозивной системы и делает все устройство больше и тяжелее. Первичная ступень современного термоядерного оружия может вместо этого использовать легкий бериллиевый отражатель, который также прозрачен для рентгеновских лучей при ионизации , что позволяет выходной энергии первичной ступени быстро выходить для использования при сжатии вторичной ступени. Более экзотические материалы тампера, такие как золото, используются для специальных целей, таких как испускание большого количества рентгеновских лучей или изменение количества ядерных осадков .

В то время как эффект тампера заключается в повышении эффективности, как за счет отражения нейтронов , так и за счет задержки расширения бомбы, влияние на критическую массу не столь велико. Причина этого в том, что процесс отражения занимает много времени. К тому времени, как отраженные нейтроны возвращаются в ядро , несколько поколений цепной реакции уже прошли, то есть вклад старшего поколения составляет ничтожную часть популяции нейтронов.

Функция

В своей книге «Атомная энергия в военных целях » (1945) физик Генри ДеВольф Смит описывает функцию тампера в конструкции ядерного оружия как аналогичную функции нейтронного отражателя, используемого в ядерном реакторе :

Подобную оболочку можно использовать для уменьшения критического размера бомбы, но здесь оболочка играет дополнительную роль: сама ее инерция задерживает расширение реагирующего материала. По этой причине такую ​​оболочку часто называют тампером. Использование тампера явно способствует более длительному, более энергичному и более эффективному взрыву. ^[1]

История

Концепция окружения ядра ядерного оружия тампером была введена Робертом Сербером в его Los Alamos Primer , серии лекций, прочитанных в апреле 1943 года в рамках Манхэттенского проекта , в ходе которого было создано первое ядерное оружие. Он отметил, что поскольку инерция была ключом, наиболее плотные материалы были предпочтительны, и он определил золото , рений , вольфрам и уран как лучших кандидатов. Он считал, что они также обладают хорошими свойствами отражения нейтронов , хотя и предупредил, что в этой области необходимо проделать гораздо больше работы. Используя элементарную теорию диффузии , он предсказал, что критическая масса ядерного оружия с тампером будет составлять одну восьмую от критической массы идентичного, но не тамперованного оружия. Он добавил, что на практике это будет всего лишь около четверти вместо одной восьмой. ^{[2] [3]}

Сербер отметил, что свойство отражения нейтронов не так хорошо, как может показаться на первый взгляд, поскольку нейтронам, возвращающимся после столкновений в тампере, потребуется время, чтобы сделать это. Он подсчитал, что для тампера из урана это может занять около 10−7 ^секунд . К тому времени, как отраженные нейтроны вернутся в ядро, пройдет несколько поколений цепной реакции , то есть вклад от старшего поколения составит ничтожную часть популяции нейтронов. Возвращающиеся нейтроны также будут замедлены столкновением. Из этого следовало, что для получения того же самого энерговыделения с золотым тампером требовалось на 15% больше расщепляющегося материала по сравнению с урановым, несмотря на то, что критические массы отличались на 50%. ^[4] В то время критические массы урана (и, в частности, плутония ) не были точно известны. Считалось, что уран с тампером из урана может составлять около 25 кг, в то время как у плутония будет около 5 кг. ^[3]

Урановая бомба Little Boy, использованная при атомной бомбардировке Хиросимы, имела тампер из карбида вольфрама . Это было важно не только для отражения нейтронов, но и для его прочности, предотвращающей пробитие снарядом цели. ^[5] Тампер имел радиус 17,5 сантиметров (6,9 дюйма) и толщину 11,3 сантиметра (4,4 дюйма) при массе 317 килограммов (699 фунтов). Это было примерно в 3,5 раза больше массы используемого расщепляющегося материала. Карбид вольфрама имеет высокую плотность и низкое поперечное сечение поглощения нейтронов . Несмотря на то, что он был доступен в достаточном количестве во время Манхэттенского проекта, обедненный уран не использовался, поскольку он имеет относительно высокую скорость спонтанного деления около 675 на кг в секунду; поэтому тампер из обедненного урана весом 300 кг имел бы неприемлемую вероятность инициирования предварительной детонации . ^[6] Карбид вольфрама широко использовался в ядерном оружии пушечного типа на основе урана-233 , используемом в артиллерийских орудиях по той же причине. ^{[7] [8]}

В боеголовке W88 первичный заряд использует легкий бериллиевый тампер, а вторичный — тяжелый урановый-235 .

Использование делящегося тампера имеет свои преимущества для увеличения выхода. Уран-238 будет делиться при ударе нейтрона с энергией 1,6 мегаэлектронвольт (0,26  пДж ), и около половины нейтронов, образующихся при делении урана-235, превысят этот порог. Однако быстрый нейтрон , ударяющий ядро ​​урана-238, в восемь раз чаще подвергается неупругому рассеянию, чем вызывает деление, и когда это происходит, он замедляется до точки ниже порога деления урана-238. ^[9] В типе Fat Man, использованном в тесте Trinity и в Нагасаки, тампер состоял из 7,0-сантиметровых (2,75 дюйма) оболочек из природного урана и алюминия . ^{[5] [10]} По оценкам, до 30% выхода приходилось на деление тампера из природного урана . ^{[11] [12]} По оценкам, 14,5 тонн тротила (61 ГДж) из 21 килотонны тротила (88 ТДж) было получено в результате фотоделения тампера . ^[13]

В усиленном оружии деления или термоядерном оружии нейтроны в 14,1 мегаэлектронвольт (2,26 пДж), полученные в результате реакции дейтерия с тритием , могут оставаться достаточно энергичными для деления урана-238 даже после трех столкновений с дейтерием, но нейтроны в 2,45 мегаэлектронвольт (0,393 пДж), полученные в результате синтеза дейтерия с дейтерием, уже не обладают достаточной энергией даже после одного столкновения. Тампер из урана-235 будет делиться даже с медленными нейтронами. Поэтому тампер из высокообогащенного урана более эффективен, чем тампер из обедненного урана, и для достижения того же выхода можно использовать тампер меньшего размера. Поэтому использование тамперов из обогащенного урана стало более распространенным, как только обогащенный уран стал более распространенным.

Важным достижением после Второй мировой войны стал легкий бериллиевый тампер. В усиленном устройстве термоядерные реакции значительно увеличивают производство нейтронов, что делает инерционные свойства тамперов менее важными. Бериллий имеет низкое сечение поглощения медленных нейтронов, но очень высокое сечение рассеяния. При ударе нейтронов высокой энергии, полученных в результате реакций деления, бериллий испускает нейтроны. С 10-сантиметровым (4 дюйма) бериллиевым отражателем критическая масса высокообогащенного урана составляет 14,1 кг по сравнению с 52,5 кг в неутрамбованной сфере. Бериллийовый тампер также минимизирует потерю рентгеновских лучей, что важно для термоядерной первичной ступени, которая использует свои рентгеновские лучи для сжатия вторичной ступени. ^[14]

Бериллий-тампер рассматривался Манхэттенским проектом, но бериллий был в дефиците, и эксперименты с бериллиевым тампером начались только после войны. Физик Луис Слотин погиб в мае 1946 года в результате критической аварии с участием одного из них. Устройство с бериллиевым тампером было успешно испытано в ходе операции Tumbler–Snapper How, которая была запущена 5 июня 1952 года, и с тех пор бериллий широко использовался в качестве тампера в первичных термоядерных реакторах. ^[14] Тампер вторичной ступени (или «толкатель») отражает нейтроны, удерживает термоядерное топливо своей инертной массой и увеличивает выход за счет делений, производимых нейтронами, испускаемыми в результате термоядерных реакций. Он также помогает управлять радиационной имплозией и предотвращать потерю тепловой энергии. По этой причине тяжелый тампер по-прежнему предпочтительнее. ^[15]

Альтернативные материалы

Торий также может использоваться в качестве расщепляемого тампера. Он имеет атомный вес, почти такой же, как у урана, и меньшую склонность к делению, что означает, что тампер должен быть намного толще. ^[15] Возможно, что государство, стремящееся развить ядерный потенциал, может добавить реакторный плутоний к тамперу из природного урана. Это вызовет проблемы с выбросами нейтронов из плутония, но это можно преодолеть с помощью слоя бора-10 , ^[15] который имеет высокое нейтронное сечение для поглощения медленных нейтронов, которые расщепляют уран-235 и плутоний-239 , но низкое сечение для поглощения быстрых нейтронов, которые расщепляют уран-238. Он использовался в термоядерном оружии для защиты плутониевой свечи зажигания от блуждающих нейтронов, испускаемых тампером из урана-238. ^[16] В типе Fat Man тампер из природного урана был покрыт бором . ^[17]

Неделящиеся материалы могут использоваться в качестве тамперов. Иногда они заменялись делящимися материалами в ядерных испытаниях , где высокая мощность была не нужна. ^[18] Наиболее часто используемым неделящимся материалом тампера является свинец , который широко доступен и дешев. Британские разработки часто использовали сплав свинца и висмута . Висмут имеет самый высокий атомный номер среди всех неделящихся материалов тампера. Использование свинца и висмута снижает ядерные осадки , поскольку ни один из них не производит изотопов, которые испускают значительное количество гамма-излучения при облучении нейтронами. ^[15]

Боеголовка W71 , используемая в противоракете LIM-49 Spartan, имела золотой тампер вокруг вторичной части для максимизации выхода рентгеновских лучей, которые использовались для выведения из строя приближающихся ядерных боеголовок. ^{[15] [19]} Облучение золота-197 производит золото-198, период полураспада которого составляет 2,697 дня, и которое испускает 0,412 мегаэлектронвольт (0,0660 пДж) гамма-лучей и 0,96 мегаэлектронвольт (0,154 пДж) бета-частиц . Таким образом, оно производит кратковременное, но интенсивное излучение, которое может иметь применение на поле боя, хотя это не было его предназначением в W71. Другим элементом, который США оценивали для такой цели, был тантал . Природный тантал почти полностью состоит из тантала-181, который при облучении нейтронами превращается в тантал-182 — излучатель бета- и гамма-лучей с периодом полураспада 115 дней.

В теоретической кобальтовой бомбе [ ^15] кобальт — плохой кандидат на роль тампера, поскольку он относительно легкий и ионизируется при 9,9 килоэлектронвольт (1,59 фДж). Природный кобальт — это полностью кобальт-59, который превращается в кобальт-60 при облучении нейтронами. С периодом полураспада 5,26 года это может привести к долговременному радиоактивному загрязнению. ^[15] Британские ядерные испытания Тадже в Маралинге использовали кобальтовые гранулы в качестве «трассера» для определения мощности. ^[20] Это подпитывало слухи о том, что Британия разрабатывает кобальтовую бомбу. ^[21]

Физика

Уравнение диффузии для числа нейтронов внутри ядра бомбы имеет вид: ^[22]

${\displaystyle {\frac {\partial N}{\partial t}}={\frac {v_{n}}{\lambda _{f}^{core}}}(\nu -1)N+{\frac {\lambda _{t}^{core}v_{n}}{3}}(\nabla ^{2}N)}$

где — плотность числа нейтронов, — средняя скорость нейтронов, — число вторичных нейтронов, образующихся при делении, — средняя длина свободного пробега при делении , — транспортная длина свободного пробега нейтронов в активной зоне. ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle v_{n}}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle \lambda _{f}^{core}}$ ${\displaystyle \lambda _{t}^{core}}$

${\displaystyle N}$не зависит от направления, поэтому мы можем использовать эту форму оператора Лапласа в сферических координатах:

${\displaystyle \nabla ^{2}N={\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial }{\partial r}}{\bigl (}r^{2}{\frac {\partial N}{\partial r}}{\bigr )}}$

Решение разделяемого частного дифференциального уравнения дает нам: ^[23]

${\displaystyle N_{core}(r,t)=N_{0}e^{(\alpha /\tau )t}{\Bigl [}{\frac {sin(r/d_{core})}{r}}{\Bigr ]}}$

где

${\displaystyle \tau =\lambda _{f}^{core}/v_{n}}$

и

${\displaystyle d_{core}={\sqrt {\frac {\lambda _{f}^{core}\lambda _{t}^{core}}{3(-\alpha +\nu -1)}}}}$

Для тампера первый член в первом уравнении, относящийся к образованию нейтронов, можно пренебречь, оставив:

${\displaystyle {\frac {\partial N}{\partial t}}={\frac {\lambda _{t}^{core}v_{n}}{3}}(\nabla ^{2}N)}$

Установите константу разделения как . Если (что означает, что плотность нейтронов в тампере постоянна), решение становится: ${\displaystyle \delta /\tau }$ ${\displaystyle \delta =0}$

${\displaystyle N_{tamper}={\frac {A}{r}}+B}$

Где и — постоянные интегрирования . ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle B}$

Если (имеется в виду, что плотность нейтронов в тампере растет), то решение становится следующим: ^[24] ${\displaystyle \delta >0}$

${\displaystyle N_{tamper}=e^{(\delta /\tau )t}{\Bigl [}A{\frac {e^{r/d_{tamper}}}{r}}+B{\frac {e^{-r/d_{tamper}}}{r}}{\Bigr ]}}$

где

${\displaystyle d_{tamper}={\sqrt {\frac {\lambda _{f}^{core}\lambda _{t}^{core}}{3}}}}$

Сербер отметил, что на границе между ядром и тампером диффузионный поток нейтронов должен быть непрерывным, ^[2] поэтому, если ядро ​​имеет радиус , то: ^[24] ${\displaystyle R_{core}}$

${\displaystyle N_{core}(R_{core})=N_{tamper}(R_{core})}$

Если скорость нейтронов в активной зоне и тампере одинакова, то и: ^[24] ${\displaystyle \alpha =\delta }$

${\displaystyle \lambda _{t}^{core}{{\Bigl (}{\frac {\partial N_{core}}{\partial r}}{\Bigr )}}_{R_{core}}=\lambda _{t}^{tamper}{\Bigl (}{\frac {\partial N_{tamper}}{\partial r}}{\Bigr )}_{R_{core}}}$

В противном случае каждая сторона должна быть умножена на соответствующую скорость нейтрона. Также: ^[24]

${\displaystyle N_{tamper}(R_{tamper})=-{\frac {2}{3}}\lambda _{t}^{tamper}{\Bigl (}{\frac {\partial N_{tamper}}{\partial r}}{\Bigr )}_{R_{core}}}$

Для случая, когда : ${\displaystyle \alpha =\delta =0}$

${\displaystyle {\Bigl [}1+{\frac {2R_{tamper}^{threshold}\lambda _{t}^{tamper}}{3R_{tamper}^{2}}}-{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{R_{tamper}}}{\Bigr ]}{\Bigl [}{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}-1{\Bigr ]}+{\frac {\lambda _{t}^{tamper}}{\lambda _{t}^{core}}}=0}$

Если тампер действительно толстый, то это можно приблизительно рассчитать так: ${\displaystyle R_{tamper}\gg R_{tamper}^{threshold}}$

${\displaystyle {\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=1-{\frac {\lambda _{t}^{tamper}}{\lambda _{t}^{core}}}}$

Если тампер (нереалистично) является вакуумом, то сечение рассеяния нейтронов будет равно нулю и . Уравнение становится: ${\displaystyle \lambda _{t}^{tamper}=\infty }$

${\displaystyle {\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=-\infty }$

что удовлетворяется:

${\displaystyle {\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=\pi }$

Если тампер очень толстый и имеет свойства рассеивания нейтронов, аналогичные свойствам сердечника, то есть:

${\displaystyle \lambda _{t}^{tamper}\sim \lambda _{t}^{core}}$

Тогда уравнение принимает вид:

${\displaystyle {\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=0}$

которое выполняется, когда:

${\displaystyle {\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}=\pi /2}$

В этом случае критический радиус в два раза больше, чем если бы тампера не было. Поскольку объем пропорционален кубу радиуса, мы приходим к выводу Сербера, что восьмикратное уменьшение критической массы теоретически возможно. ^{[2] [25]}

Примечания

1. Смит 1945, стр. 210.
2. Serber 1943, стр. 7–8.
3. Hoddeson et al. 1993, стр. 72.
4. Сербер 1943, стр. 14–15.
5. Reed 2011, стр. 46.
6. Рид 2017, стр. 57.
7. Хансен 1995а, стр. 273.
8. Хансен 1995e, стр. 108.
9. Рид 2017, стр. 30–31.
10. Хансен 1995а, стр. 292.
11. Веллерстайн, Алекс . «Уран толстяка». Ограниченные данные . Получено 17 августа 2021 г.
12. Семков, Парех и Хейнс 2005, стр. 142–159.
13. Хан 2020.
14. Hansen 1995a, стр. 293–296.
15. Sublette, Carey. "4.4 Элементы конструкции термоядерного оружия". Архив ядерного оружия . Получено 18 августа 2021 г.
16. Хансен 1995c, стр. 179.
17. Родс 1995, стр. 194–195.
18. Арнольд и Смит 2006, стр. 17.
19. Хансен 1988, стр. 189.
20. Арнольд и Смит 2006, стр. 198–199.
21. ""Never Intended" Cobalt Bomb". The Mercury . Vol. CLXXIII, no. 25, 813. Тасмания, Австралия. 10 сентября 1953 г. стр. 1. Получено 9 июля 2020 г. – через Национальную библиотеку Австралии.
22. Рид 2011, стр. 52.
23. Рид 2009, стр. 730.
24. Рид 2009, стр. 732.
25. Рид 2011, стр. 56.

Ссылки

• Арнольд, Лорна ; Смит, Марк (2006). Британия, Австралия и бомба: ядерные испытания и их последствия . Бейзингсток: Palgrave Macmillan. ISBN 978-1-4039-2102-4. OCLC  70673342.
• Хансен, Чак (1988). Ядерное оружие США: Секретная история . Арлингтон, Техас: Aerofax. ISBN 0-517-56740-7. OCLC  749870939.
• Хансен, Чак (1995a). Том I: Развитие ядерного оружия США . Мечи Армагеддона: Развитие ядерного оружия США с 1945 года. Саннивейл, Калифорния: Chukelea Publications. ISBN 978-0-9791915-1-0. OCLC  231585284.
• Хансен, Чак (1995c). Том III: Развитие ядерного оружия США . Мечи Армагеддона: Развитие ядерного оружия США с 1945 года. Саннивейл, Калифорния: Chukelea Publications. ISBN 978-0-9791915-3-4. OCLC  231585284.
• Хансен, Чак (1995e). Том V: История ядерного оружия США . Мечи Армагеддона: Развитие ядерного оружия США с 1945 года. Саннивейл, Калифорния: Chukelea Publications. ISBN 978-0-9791915-5-8. OCLC  231585284.
• Hoddeson, Lillian ; Henriksen, Paul W.; Meade, Roger A.; Westfall, Catherine L. (1993). Критическая сборка: техническая история Лос-Аламоса в годы Оппенгеймера, 1943–1945 . Нью-Йорк: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-44132-2. OCLC  26764320.
• Хан, Ф. А. (2020). «Оценка выхода фотоделения в тесте Trinity». Scientific Reports . 10 (1): 4200. Bibcode :2020NatSR..10.4200K. doi :10.1038/s41598-020-61201-0. ISSN  2045-2322. PMC  7060208 . PMID  32144384.
• Рид, Б. Кэмерон (август 2009 г.). «Краткий учебник по сердечникам бомб деления с набивкой». American Journal of Physics . 77 (8): 730–733. Bibcode : 2009AmJPh..77..730R. doi : 10.1119/1.3125008. ISSN  0002-9505.
• Рид, Б. Кэмерон (2011). Физика Манхэттенского проекта (второе изд.). Hedelberg Dordrecht London New York: Springer. ISBN 978-3-642-14708-1. OCLC  1195449878.
• Рид, Б. Кэмерон (сентябрь 2017 г.). «Возвращаясь к учебнику Los Alamos Primer». Physics Today . 70 (9): 42–49. Bibcode : 2017PhT....70i..42R. doi : 10.1063/PT.3.3692 . ISSN  0031-9228.
• Родс, Ричард (1995). Темное солнце: Создание водородной бомбы. Нью-Йорк: Simon & Schuster. ISBN 0-684-80400-X. OCLC  32509950.
• Сербер, Роберт (1943). Лос-Аламос Праймер . Беркли: Калифорнийский университет.
• Semkow, Thomas M.; Parekh, Pravin P.; Haines, Douglas K. (28 августа – 1 сентября 2005 г.). «Моделирование эффектов теста Trinity». В Semkow, Thomas M. (ред.). Прикладное моделирование и вычисления в ядерной науке . 230-е национальное заседание Американского химического общества (ACS). Серия симпозиумов ACS. Том 945. Вашингтон, округ Колумбия, стр. 142–159. ISBN 978-0-8412-3982-1. OCLC  984760244.
• Смит, Генри ДеВольф (1945). Атомная энергия для военных целей: официальный отчет о разработке атомной бомбы под эгидой правительства Соединенных Штатов, 1940–1945 . Принстон: Princeton University Press. ISBN 978-0-8047-1722-9.