Оружие деления пушечного типа — это ядерное оружие , основанное на делении , конструкция которого собирает свой расщепляющийся материал в сверхкритическую массу с помощью метода «пушки»: выстреливая одним куском субкритического материала в другой. Хотя иногда это изображают как две субкритические полусферы, соединенные вместе для создания сверхкритической сферы, обычно полый снаряд выстреливается в шип, который заполняет отверстие в его центре. Его название — отсылка к тому факту, что он выстреливает материалом через артиллерийский ствол, как если бы это был снаряд.
Поскольку это относительно медленный метод сборки, плутоний не может быть использован, если он не является чистым изотопом 239 Pu . Производство плутония без примесей очень сложно и непрактично. Требуемое количество урана относительно велико, и, таким образом, общая эффективность относительно низка. Основная причина этого заключается в том, что металлический уран не подвергается сжатию (и, как следствие, увеличению плотности ), как это происходит в конструкции имплозии. Вместо этого бомбы пушечного типа собирают сверхкритическую массу, накапливая такое большое количество урана, что общее расстояние, через которое должны пройти дочерние нейтроны, имеет так много средних свободных пробегов , что становится весьма вероятным, что большинство нейтронов найдут ядра урана для столкновения, прежде чем покинут сверхкритическую массу.
Впервые оружие деления пушечного типа обсуждалось в рамках программы разработки британской ядерной бомбы Tube Alloys , первой в мире программы разработки ядерной бомбы. [1] В британском отчете MAUD [2] от 1941 года было изложено, как «эффективная урановая бомба, которая, содержа около 25 фунтов активного материала, будет эквивалентна по разрушительному эффекту 1800 тоннам тротила». [3] Бомба будет использовать конструкцию пушечного типа, «чтобы соединить две половины на высокой скорости, и предлагается сделать это, выстреливая ими вместе зарядами обычного взрывчатого вещества в форме двойной пушки». [4]
Метод применялся в четырех известных программах США. Во-первых, оружие « Little Boy », которое было взорвано над Хиросимой , и несколько дополнительных единиц той же конструкции, подготовленных после Второй мировой войны, в 40 бомбах Mark 8 , и их замена, 40 бомб Mark 11. Обе конструкции Mark 8 и Mark 11 были предназначены для использования в качестве проникающих в землю бомб (см. ядерный разрушитель бункеров ), для чего метод пушечного типа некоторое время предпочитался конструкторами, которые не были уверены, что раннее оружие имплозивного типа успешно взорвется после удара. Вторая программа была семейством 11-дюймовых (280-мм) ядерных артиллерийских снарядов, W9 и его производного W19 , а также переупакованного W19 в 16-дюймовый (406-мм) снаряд для линкоров ВМС США, W23 . Третье семейство было 8-дюймовым (203-мм) артиллерийским снарядом, W33 .
Южная Африка также разработала шесть ядерных бомб, основанных на принципе пушечного типа, и работала над ракетными боеголовками, использующими ту же базовую конструкцию – см. Южная Африка и оружие массового поражения .
В настоящее время на вооружении нет известного оружия пушечного типа: развитые ядерные державы, как правило, отказывались от этой конструкции в пользу оружия имплозивного типа , усиленного ядерного оружия и термоядерного оружия . Новые ядерные державы, как правило, разрабатывают только усиленное ядерное оружие и термоядерное оружие. Все известное ядерное оружие пушечного типа, ранее созданное во всем мире, было демонтировано.
.png/1280px-Little_Boy_Internal_Components_(no_labels).png)
Метод «пушки» примерно соответствует тому, как работало оружие Little Boy, взорванное над Хиросимой , используя уран-235 в качестве расщепляющегося материала. В конструкции Little Boy «пуля» U-235 имела массу около 86 фунтов (39 кг), длину 7 дюймов (17,8 см) и диаметр 6,25 дюйма (15,9 см). Полая цилиндрическая форма делала ее подкритической. Она питалась зарядом кордита . Урановый шип-мишень весил около 57,3 фунтов (26 кг). И пуля, и цель состояли из нескольких колец, сложенных вместе.
Использование «колец» имело два преимущества: оно позволяло более крупной пуле уверенно оставаться докритической (полый столбик служил для того, чтобы материал не слишком сильно соприкасался с другим материалом), и оно позволяло испытывать докритические сборки с использованием той же пули, но всего с одним кольцом.
Внутренний диаметр ствола составлял 6,5 дюймов (16,5 см). Его длина составляла 70,8 дюймов (1,8 м), что позволяло пуле разгоняться до конечной скорости около 1000 футов в секунду (300 м/с) [5] перед соприкосновением с целью.
Когда пуля находится на расстоянии 9,8 дюймов (25 см), соединение становится критическим. Это означает, что некоторые свободные нейтроны могут вызвать цепную реакцию до того, как материал сможет полностью соединиться (см. ядерная цепная реакция ).
Обычно цепная реакция занимает менее 1 мкс (100 встряхиваний ), за это время пуля проходит всего 0,3 мм ( 1 ⁄ 85 дюйма). Хотя цепная реакция происходит медленнее, когда сверхкритичность низкая, она все равно происходит за такое короткое время, что пуля за это время едва успевает сдвинуться.
Это может вызвать шипение , преддетонацию , которая разнесет материал на части до того, как произойдет большой взрыв. Таким образом, важно, чтобы частота, с которой возникают свободные нейтроны, поддерживалась низкой по сравнению со временем сборки с этого момента. Это также означает, что скорость снаряда должна быть достаточно высокой; его скорость может быть увеличена, но для этого требуется более длинный и тяжелый ствол или более высокое давление метательного газа для большего ускорения подкритической массы пули.
В случае с Little Boy 20% 238 U в уране имели 70 спонтанных делений в секунду. При делящемся материале в сверхкритическом состоянии каждое давало большую вероятность детонации: каждое деление создает в среднем 2,52 нейтрона, каждый из которых имеет вероятность более 1:2,52 создать еще одно деление. В течение 1,35 мс сверхкритичности перед полной сборкой была 10% вероятность деления, с несколько меньшей вероятностью преддетонации.
Первоначально усилия по созданию пушечного оружия в рамках Манхэттенского проекта были направлены на создание пушечного оружия, которое использовало бы плутоний в качестве источника расщепляющегося материала, известного как « Худой человек » из-за его чрезвычайной длины. Считалось, что если можно создать плутониевую бомбу пушечного типа, то урановую бомбу пушечного типа будет сделать гораздо проще по сравнению с ней. Однако в апреле 1944 года было обнаружено, что выращенный в реакторе плутоний ( Pu-239 ) загрязнен другим изотопом плутония, Pu-240 , что увеличивает скорость спонтанного высвобождения нейтронов материала, делая неизбежным предыдущую детонацию. По этой причине считается, что бомба пушечного типа может использоваться только с обогащенным урановым топливом. Однако неизвестно, возможно ли создать композитную конструкцию, используя высокосортный плутоний только в пуле.
После того, как выяснилось, что программа «Тонкий человек» не будет успешной, Лос-Аламос перенаправил свои усилия на создание плутониевого оружия имплозивного типа: « Толстяк ». Программа создания оружия полностью переключилась на разработку урановой бомбы.
Хотя в «Малыше» использовалось 132 фунта (60 кг) 80%-ного 235 U (следовательно, 106 фунтов или 48 кг), минимум составляет около 44–55 фунтов (20–25 кг) по сравнению с 33 фунтами (15 кг) для метода имплозии.
Целевая субкритическая масса Little Boy была заключена в нейтронный отражатель из карбида вольфрама (WC). Наличие нейтронного отражателя уменьшало потери нейтронов во время цепной реакции, и, таким образом, уменьшало количество необходимого уранового топлива. Более эффективным материалом отражателя был бы металлический бериллий, но это не было известно до послевоенных лет, когда Тед Тейлор разработал имплозивную конструкцию, известную как «Скорпион».
Ученые, которые разработали оружие «Little Boy», были достаточно уверены в его успехе, чтобы не проводить полевые испытания конструкции перед ее использованием в войне (хотя такие ученые, как Луи Слотин, проводили неразрушающие испытания с докритическими сборками, опасные эксперименты, прозванные « щекотанием хвоста дракона »). В любом случае, его нельзя было испытать перед развертыванием, поскольку U-235 было достаточно только для одного устройства. Несмотря на то, что конструкция никогда не проходила контрольных испытаний, считалось, что нет риска захвата устройства противником в случае его неисправности. Даже «шипение» полностью разрушило бы устройство, в то время как множественная избыточность, встроенная в конструкцию «Little Boy», означала, что у устройства была ничтожно малая вероятность, если она вообще была, удариться о землю, не взорвавшись.
Для быстрого запуска цепной реакции в нужный момент используется нейтронный триггер/инициатор. Инициатор не является строго необходимым для эффективной конструкции пушки, [6] [5], пока конструкция использует «захват цели» (по сути, гарантируя, что две подкритические массы, будучи запущены вместе, не могут разойтись, пока не взорвутся). Учитывая 70 спонтанных делений в секунду, это вызывает задержку всего в несколько раз по 1/70 секунды, что в данном случае не имеет значения. Инициаторы были добавлены к Little Boy только на поздних этапах его разработки.
Что касается риска распространения и использования террористами , то относительно простая конструкция вызывает беспокойство, поскольку она не требует столь тонкой инженерии или производства, как другие методы. При достаточном количестве высокообогащенного урана страны или группы с относительно низким уровнем технологической сложности могли бы создать неэффективное, хотя все еще довольно мощное, ядерное оружие пушечного типа.
Для технологически развитых государств метод пушечного типа в настоящее время по существу устарел по причинам эффективности и безопасности (обсуждаемым выше). Метод пушечного типа был в значительной степени заброшен Соединенными Штатами, как только метод имплозии был усовершенствован, хотя он сохранялся в специализированной роли ядерной артиллерии в течение некоторого времени. Другие ядерные державы, такие как Великобритания и Советский Союз , никогда не построили образец этого типа оружия. Помимо необходимости использования высокообогащенного U-235, этот метод имеет другие серьезные ограничения. Метод имплозии гораздо лучше подходит для различных методов, используемых для уменьшения массы оружия и увеличения доли материала, который делится. Апартеидная Южная Африка построила около пяти видов оружия пушечного типа и ни одного оружия имплозивного типа. Позже они полностью отказались от своей программы ядерного оружия . Они были уникальны в своем отказе от ядерного оружия, и, вероятно, также в создании оружия пушечного типа, а не оружия имплозивного типа.
Существуют также проблемы безопасности с оружием пушечного типа. Например, изначально опасно иметь оружие, содержащее такое количество и форму расщепляющегося материала, которые могут образовать критическую массу посредством относительно простой аварии. Кроме того, если оружие сбрасывается с самолета в море, то замедляющее воздействие морской воды также может вызвать критическую аварию без физического повреждения оружия. Ни то, ни другое не может произойти с оружием имплозивного типа, поскольку обычно недостаточно расщепляющегося материала для образования критической массы без правильной детонации взрывных линз.
Метод пушки также применялся для ядерных артиллерийских снарядов, поскольку более простую конструкцию легче спроектировать так, чтобы она выдерживала быстрое ускорение и перегрузки, создаваемые артиллерийским орудием, а меньший диаметр конструкции пушки позволяет сравнительно легко устанавливать ее на снаряды, которые можно запускать из существующей артиллерии.
Американское ядерное артиллерийское оружие пушечного типа W9 было испытано 25 мая 1953 года на испытательном полигоне в Неваде . Выпущенный в рамках операции Upshot–Knothole и получивший кодовое название Shot GRABLE , 280-мм (11-дюймовый) снаряд был выпущен на 10 000 м (33 000 футов) и взорван на высоте 160 м (520 футов) над землей с предполагаемой мощностью 15 килотонн . Это примерно такая же мощность , как у Little Boy , хотя W9 имел менее 1 ⁄ 10 веса Little Boy (365 кг против 4000 кг или 805 фунтов против 8819 фунтов). Длина снаряда составляла 1384 мм (54,5 дюйма).
Это был единственный ядерный артиллерийский снаряд, когда-либо реально запущенный (из артиллерийского орудия) в программе испытаний США. Он был запущен из специально построенного артиллерийского орудия, прозванного «Атомная Энни» . Восемьдесят снарядов были произведены с 1952 по 1953 год. Он был снят с вооружения в 1957 году.
W19 также представлял собой 280-мм ядерный снаряд пушечного типа, более длинную версию W-9. Было произведено восемьдесят боеголовок, и система была снята с вооружения в 1963 году.
W33 представлял собой меньший по размеру 8-дюймовый (203-мм) ядерный артиллерийский снаряд пушечного типа, который выпускался с 1957 года и находился на вооружении до 1992 года. Два снаряда были подвергнуты испытательным запускам (подрыву, а не выстрелу из артиллерийского орудия), один был подвешен под воздушным шаром на открытом воздухе, а один — в туннеле. [7]
Более поздние версии основывались на имплозивной конструкции.