Усиленное оружие деления обычно относится к типу ядерной бомбы , которая использует небольшое количество термоядерного топлива для увеличения скорости и, таким образом, выхода реакции деления . Нейтроны , высвобождаемые реакциями синтеза, добавляются к нейтронам, высвобождаемым в результате деления, что позволяет происходить большему количеству нейтронно-индуцированных реакций деления. Тем самым скорость деления значительно увеличивается, так что гораздо больше делящегося материала может подвергнуться делению до того, как ядро взрывным образом развалится. Сам процесс синтеза добавляет к процессу лишь небольшое количество энергии, возможно, 1%. [1]
Альтернативное значение — устаревший тип одноступенчатой ядерной бомбы, которая использует термоядерный синтез в больших масштабах для создания быстрых нейтронов, которые могут вызвать деление в обедненном уране , но которая не является двухступенчатой водородной бомбой . Этот тип бомбы был назван Эдвардом Теллером «Будильником», а Андреем Сахаровым — «Слойкой» или «Слоёным пирогом» (Теллер и Сахаров разработали эту идею независимо, насколько известно). [2]
Идея усиления была первоначально разработана в период с конца 1947 по конец 1949 года в Лос-Аламосе . [3] Основным преимуществом усиления является дальнейшая миниатюризация ядерного оружия, поскольку оно сокращает минимальное время инерционного удержания, необходимое для сверхкритического ядерного взрыва, путем обеспечения внезапного притока быстрых нейтронов до того, как критическая масса разнесет себя на части. Это устранит необходимость в алюминиевом толкателе и урановом тампере, а также во взрывчатых веществах, необходимых для их и делящегося материала в сверхкритическое состояние. В то время как громоздкий Толстяк имел диаметр 5 футов (1,5 м) и требовал 3 тонны взрывчатых веществ для имплозии, усиленное первичное деление может быть установлено на небольшой ядерной боеголовке (такой как W88 ) для воспламенения термоядерного вторичного.
В бомбе деления расщепляющееся топливо быстро «собирается» путем равномерной сферической имплозии, создаваемой с помощью обычных взрывчатых веществ , создавая сверхкритическую массу . В этом состоянии многие нейтроны, высвобождаемые при делении ядра, будут вызывать деление других ядер в топливной массе, также высвобождая дополнительные нейтроны, что приводит к цепной реакции . Эта реакция потребляет не более 20% топлива, прежде чем бомба взорвется, или, возможно, гораздо меньше, если условия не идеальны: бомбы «Малыш» (механизм пушечного типа) и «Толстяк» (механизм имплозивного типа) имели эффективность 1,38% и 13% соответственно.
Усиление синтеза достигается путем введения трития и газообразного дейтерия . Твердый дейтериевый литий -тритид также использовался в некоторых случаях, но газ обеспечивает большую гибкость (и может храниться снаружи) и может быть введен в полую полость в центре сферы топлива деления или в зазор между внешним слоем и «левитирующим» внутренним ядром, когда-то перед имплозией. К тому времени, когда около 1% топлива деления расщепляется, температура поднимается достаточно высоко, чтобы вызвать термоядерный синтез , который производит относительно большое количество высокоэнергетических нейтронов. Этот приток нейтронов ускоряет поздние стадии цепной реакции, заставляя делиться примерно вдвое больше делящегося материала до того, как критическая масса будет разобрана взрывом.
Нейтроны синтеза дейтерия и трития чрезвычайно энергичны, в семь раз более энергичны, чем средний нейтрон деления, [4] , что делает их гораздо более вероятными для захвата в делящемся материале и приведения к делению. Это происходит по нескольким причинам:
Следовательно, время, необходимое для удвоения популяции нейтронов в ядре, сокращается примерно в 8 раз. [4] Ощущение потенциального вклада усиления синтеза можно получить, наблюдая, что полное слияние одного моля трития (3 грамма) и одного моля дейтерия (2 грамма) произведет один моль нейтронов (1 грамм), который, пренебрегая потерями на утечку и рассеянием, может расщепить один моль (239 грамм) плутония напрямую, производя 4,6 моля вторичных нейтронов, которые, в свою очередь, могут расщепить еще 4,6 моля плутония (1099 г). Деление этих 1338 г плутония в первых двух поколениях высвободит 23 [5] килотонны тротилового эквивалента (97 ТДж ) энергии и само по себе приведет к эффективности 29,7% для бомбы, содержащей 4,5 кг плутония (типичный небольшой триггер деления). Энергия, высвобождаемая при слиянии 5 г термоядерного топлива, составляет всего 1,73% от энергии, высвобождаемой при делении 1338 г плутония. Возможны большие общие выходы и более высокая эффективность, поскольку цепная реакция может продолжаться и после второго поколения после усиления слияния. [4]
Бомбы деления с термоядерным усилением также могут быть сделаны невосприимчивыми к нейтронному излучению от близлежащих ядерных взрывов, что может привести к тому, что другие конструкции будут детонировать заранее, разрывая себя на части, не достигая высокой мощности. Сочетание уменьшенного веса по отношению к мощности и невосприимчивости к радиации гарантировало, что большинство современных ядерных боеприпасов являются термоядерными.
Скорость реакции синтеза обычно становится значительной при 20–30 мегакельвинах . Эта температура достигается при очень низкой эффективности, когда расщепляется менее 1% делящегося материала (что соответствует выходу в диапазоне сотен тонн тротила). Поскольку можно спроектировать имплозивное оружие, которое будет достигать выходов в этом диапазоне, даже если нейтроны присутствуют в момент критичности, усиление синтеза позволяет производить эффективное оружие, невосприимчивое к преддетонации . Устранение этой опасности является очень важным преимуществом использования усиления. Похоже, что каждое оружие в арсенале США сейчас представляет собой усиленную конструкцию. [4]
По словам одного из разработчиков оружия, именно усиление в основном ответственно за примечательное 100-кратное увеличение эффективности ядерного оружия с 1945 года. [6]
Ранние конструкции термоядерного оружия , такие как Joe-4 , советский «слоёный пирог» («Слойка» ) , использовали большое количество синтеза для того, чтобы вызвать деление атомов урана-238 , из которых состоит обеднённый уран . Это оружие имело делящееся ядро , окружённое слоем дейтерида лития-6 , в свою очередь окружённого слоем обеднённого урана. Некоторые конструкции (включая слоёный пирог) имели несколько чередующихся слоёв этих материалов. Советский слоёный пирог был похож на конструкцию американского будильника , который так и не был построен, и на конструкцию британского зелёного бамбука , который был построен, но так и не был испытан.
Когда взрывается этот тип бомбы, деление высокообогащенного урана или плутония создает нейтроны , некоторые из которых вырываются и ударяют по атомам лития-6 , создавая тритий . При температуре, создаваемой делением в ядре, тритий и дейтерий могут подвергаться термоядерному синтезу без высокого уровня сжатия. Синтез трития и дейтерия производит нейтрон с энергией 14 МэВ — гораздо более высокой энергией, чем 1 МэВ нейтрона, который начал реакцию. Это создание высокоэнергетических нейтронов, а не выход энергии, является основной целью синтеза в этом виде оружия. Затем этот нейтрон 14 МэВ ударяет по атому урана-238, вызывая деление: без этой стадии синтеза исходный нейтрон 1 МэВ, ударяющий по атому урана-238, вероятно, был бы просто поглощен. Затем это деление высвобождает энергию, а также нейтроны, которые затем создают больше трития из оставшегося лития-6, и так далее, в непрерывном цикле. Энергия деления урана-238 полезна в оружии: во-первых, потому что обедненный уран намного дешевле высокообогащенного урана , а во-вторых, потому что он не может достичь критического состояния и, следовательно, менее склонен к катастрофическим последствиям.
Этот вид термоядерного оружия может производить до 20% своей мощности за счет синтеза, а остальное — за счет деления, и ограничен по мощности практическими соображениями массы и диаметра до менее чем одной мегатонны тротила (4 ПДж ) в эквиваленте. Joe-4 выработал 400 килотонн тротила (1,7 ПДж). Для сравнения, «настоящая» водородная бомба может производить до 97% своей мощности за счет синтеза , а ее взрывная мощность ограничена только размером устройства.
Тритий — радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12,355 лет. Его основным продуктом распада является гелий-3 , который входит в число нуклидов с наибольшим поперечным сечением захвата нейтронов. Поэтому периодически из оружия необходимо вымывать гелиевые отходы и перезарядить запас трития. Это связано с тем, что любой гелий-3 в запасе трития оружия будет действовать как яд во время детонации оружия, поглощая нейтроны, которые должны столкнуться с ядрами его ядерного топлива. [7]
Тритий относительно дорог в производстве, поскольку каждый тритон — ядро трития — требует производства по крайней мере одного свободного нейтрона, который используется для бомбардировки исходного материала (литий-6, дейтерий или гелий-3). Кроме того, из-за потерь и неэффективности, количество необходимых свободных нейтронов ближе к двум для каждого тритона, поскольку тритий начинает распадаться немедленно, поэтому существуют потери во время сбора, хранения и транспортировки от производственного объекта к оружию на месте. Производство свободных нейтронов требует работы либо реактора-размножителя, либо ускорителя частиц (с мишенью расщепления ), выделенного для установки по производству трития. [8] [9]