Оружие деления с форсировкой обычно относится к типу ядерной бомбы , в которой используется небольшое количество термоядерного топлива для увеличения скорости и, следовательно, выхода реакции деления . Нейтроны , высвобождаемые в результате реакций синтеза, добавляются к нейтронам, высвобождаемым в результате деления, позволяя происходить большему количеству реакций деления, индуцированных нейтронами. Тем самым скорость деления значительно увеличивается, так что гораздо больше делящегося материала может подвергнуться делению до взрывного демонтажа активной зоны . Сам процесс термоядерного синтеза добавляет к процессу лишь небольшое количество энергии, возможно, 1%. [1]
Альтернативное значение — устаревший тип одноступенчатой ядерной бомбы, в которой в больших масштабах используется термоядерный синтез для создания быстрых нейтронов, способных вызвать деление обедненного урана , но которая не является двухступенчатой водородной бомбой . Этот тип бомбы Эдвард Теллер называл «Будильник», а Андрей Сахаров - «Слойка» или «Слоеный пирог» (Теллер и Сахаров, насколько известно, разработали эту идею независимо друг от друга). [2]
Идея наддува первоначально была разработана в период с конца 1947 по конец 1949 года в Лос-Аламосе . [3] Основным преимуществом ускорения является дальнейшая миниатюризация ядерного оружия, поскольку оно сокращает минимальное время инерционного удержания, необходимое для сверхкритического ядерного взрыва, обеспечивая внезапный приток быстрых нейтронов до того, как критическая масса разлетится на части. Это устранило бы необходимость в алюминиевом толкателе и урановом тампере, а также во взрывчатке, необходимой для перевода их и делящегося материала в сверхкритическое состояние. В то время как громоздкий Толстяк имел диаметр 5 футов (1,5 м) и для взрыва требовалось 3 тонны взрывчатки, первичную обмотку форсированного деления можно установить на небольшую ядерную боеголовку (такую как W88 ) для зажигания термоядерной вторичной обмотки.
В бомбе деления делящееся топливо быстро «собирается» за счет равномерного сферического взрыва, создаваемого обычными взрывчатыми веществами , образуя сверхкритическую массу . В этом состоянии многие нейтроны , высвобождаемые при делении ядра, вызывают деление других ядер в топливной массе, а также высвобождают дополнительные нейтроны, что приводит к цепной реакции . На эту реакцию расходуется не более 20% топлива, прежде чем бомба взорвется, или, возможно, гораздо меньше, если условия не идеальны: бомбы «Маленький мальчик » (механизм пистолетного типа) и « Толстяк » (механизм имплозивного типа) имели эффективность 1,38% и 13% соответственно.
Ускорение термоядерного синтеза достигается за счет введения газообразных трития и дейтерия . В некоторых случаях также использовался твердый дейтерид лития -тритид, 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 внешней сферой. слой и «левитирующее» внутреннее ядро, где-то перед имплозией. К тому времени, когда около 1% ядерного топлива расщепляется, температура поднимается достаточно высоко, чтобы вызвать термоядерный синтез , который производит относительно большое количество нейтронов, ускоряя поздние стадии цепной реакции и примерно удваивая ее эффективность [ необходимы разъяснения ] .
Нейтроны дейтерий-тритиевого синтеза чрезвычайно энергичны, в семь раз более энергичны, чем средний нейтрон деления, [4] что делает их гораздо более вероятными для захвата делящимся материалом и приведения к делению. Это связано с несколькими причинами:
С учетом этих факторов максимальное значение альфа для DT-нейтронов термоядерного синтеза в плутонии (плотность 19,8 г/см 3 ) примерно в 8 раз выше, чем для среднего нейтрона деления (2,5 × 109 против 3 × 108 ).
Потенциальный вклад термоядерного ускорения можно получить, наблюдая, что полный синтез одного моля трития (3 грамма) и одного моля дейтерия (2 грамма) приведет к образованию одного моля нейтронов (1 грамм), что, если пренебречь потери и рассеяние на данный момент могут напрямую расщепить один моль (239 граммов) плутония, 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] килотонн тротилового эквивалента (97 ТДж ) энергии и само по себе приведет к эффективности 29,7% для бомбы, содержащей 4,5 кг плутония ( типичный малый триггер деления). Энергия, выделяемая при синтезе 5 г термоядерного топлива, составляет всего 1,73% энергии, выделяемой при делении 1338 г плутония. Возможны более высокие общие выходы и более высокая эффективность, поскольку цепная реакция может продолжаться после второго поколения после ускорения термоядерного синтеза. [4]
Бомбы деления, усиленные термоядерным синтезом, также можно сделать невосприимчивыми к нейтронному излучению от близлежащих ядерных взрывов, что может привести к преддетонации других конструкций, разрывая себя на части без достижения высокой мощности. Сочетание уменьшенного веса по сравнению с мощностью и невосприимчивости к радиации обеспечило то, что большая часть современного ядерного оружия создается за счет термоядерного синтеза.
Скорость реакции синтеза обычно становится значительной при температуре от 20 до 30 мегакельвинов . Эта температура достигается при очень низких кпд, когда расщепилось менее 1% делящегося материала (что соответствует выходу в пределах сотен тонн тротила). Поскольку можно разработать имплозивное оружие, которое будет достигать мощности в этом диапазоне, даже если нейтроны присутствуют в момент критичности, термоядерный форсирование позволяет производить эффективное оружие, невосприимчивое к преддетонации . Устранение этой опасности является очень важным преимуществом использования бустинга. Похоже, что каждое оружие, находящееся сейчас в арсенале США, имеет усовершенствованную конструкцию. [4]
По словам одного из разработчиков оружия, форсирование главным образом ответственно за замечательное 100-кратное увеличение эффективности оружия деления с 1945 года. [6]
Ранние конструкции термоядерного оружия , такие как Джо-4 , советский «Слоеный пирог» («Слойка», по-русски : «Слойка »), использовали большое количество термоядерного синтеза, чтобы вызвать деление атомов урана-238 , составляющих обедненный уран . Это оружие имело делящийся сердечник, окруженный слоем дейтерида лития-6 , который, в свою очередь, был окружен слоем обедненного урана. Некоторые конструкции (в том числе слоеный пирог) имели несколько чередующихся слоев этих материалов. Советский слоеный пирог был похож на конструкцию американского будильника , который так и не был построен, и на британский дизайн «Зеленый бамбук» , который был построен, но никогда не тестировался.
Когда бомба этого типа взрывается, в результате деления ядра высокообогащенного урана или плутония образуются нейтроны , некоторые из которых ускользают и поражают атомы лития-6 , образуя тритий . При температуре, создаваемой делением в ядре, тритий и дейтерий могут подвергаться термоядерному синтезу без высокого уровня сжатия. При слиянии трития и дейтерия образуется нейтрон с энергией 14 МэВ — гораздо более высокая энергия, чем 1 МэВ нейтрона, начавшего реакцию. Создание нейтронов высокой энергии, а не выход энергии, является основной целью термоядерного синтеза в этом виде оружия. Этот нейтрон с энергией 14 МэВ затем попадает в атом урана-238, вызывая деление: без этой стадии синтеза первоначальный нейтрон с энергией 1 МэВ, попавший в атом урана-238, вероятно, просто был бы 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: как потому, что обедненный уран намного дешевле, чем высокообогащенный уран , так и потому, что он не может стать критическим и, следовательно, с меньшей вероятностью попадет в катастрофическую аварию.
Этот вид термоядерного оружия может производить до 20% своей мощности за счет термоядерного синтеза, а остальная часть приходится на деление, и его мощность ограничена менее чем одной мегатонной в тротиловом эквиваленте (4 ПДж ). Джо-4 произвел 400 килотонн в тротиловом эквиваленте (1,7 ПДж). Для сравнения, «настоящая» водородная бомба может производить до 97% своей мощности за счет термоядерного синтеза , а ее взрывная мощность ограничена только размером устройства.
Тритий — радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12,355 лет. Основным продуктом его распада является гелий-3 , который относится к числу нуклидов с наибольшим сечением захвата нейтронов. Поэтому периодически из оружия необходимо промывать отработанный гелий и пополнять запасы трития. Это связано с тем, что любой гелий-3 в запасе трития в оружии будет действовать как яд во время детонации оружия, поглощая нейтроны, которые должны столкнуться с ядрами его ядерного топлива. [7]
Производство трития относительно дорого, поскольку каждый произведенный тритон (ядро трития) требует производства хотя бы одного свободного нейтрона, который используется для бомбардировки исходного материала (лития-6, дейтерия или гелия-3). На самом деле из-за потерь и неэффективности количество необходимых свободных нейтронов приближается к двум на каждый произведенный тритон (а тритий начинает распадаться сразу, поэтому есть потери при сборе, хранении и транспортировке от производственного объекта к оружию в полевых условиях). .) Производство свободных нейтронов требует работы либо реактора-размножителя, либо ускорителя частиц (с расщепительной мишенью), предназначенного для установки по производству трития. [8] [9]