Лекция 18. Ядерные реакции в оружии одно из важнейших применений ядерной физики создание оружия: атомных и водородных бомб
жүктеу/скачать 0,83 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 3.1.2 Устройство и принцип работы урановой атомной бомбы
- Бомба Little boy, "Малыш
- Рис. 3.
- 4 НЕЙТРОННОЕ ОРУЖИЕ Нейтронное оружие
Табл. 12. Особенности спонтанного деления изотопов урана и плутония. Ядро
Период полу- распада
Вероятность деления на распад (%) Число нейтронов на одно деление Интенсивность, нейтроны/г ⋅сек 235
U 7.04x10 8 лет 7.0x10 -9
1.86 1.0x10 -5
238 U 4.47x10 9 лет 5.4x10 -5
2.07 0.0136 239
Pu 2.41x10 4 лет 4.4x10 -10
2.16 2.2x10 -2
240 Pu 6569 лет 5.0x10 -6
2.21 920
252 Cf 2.638 лет 3.09 3.73
2.3x10 12
Некоторые изотопы урана способны к вынужденному делению под действием нейтронов. С точки зрения практических приложений важно, что изотопы 233 U и
235 U делятся под действием как тепловых, так и быстрых нейтронов, а ядра 238
U способны к делению только при захвате нейтронов с энергией более 1 МэВ. При захвате нейтронов с меньшей энергией ядра 238 U превращаются сначала в ядра 239 U, которые далее испытывают β-распад и переходят сначала в 239
Np, а затем - в 239
Pu. Эффективные сечения захвата тепловых нейтронов ядер 234 U,
235 U и
238 U равны 98 ⋅10 -28
, 683 ⋅10
-28 и 2,7
⋅10 -28
м 2
соответственно. Полное деление 235
U приводит к выделению «теплового энергетического эквивалента» 2 ⋅10
7
кВт.ч/кг. Табл. 13. Ядерно-физические свойства 239
Pu и 235
U. Изотоп
σ тепл
(барн) σ быстр (барн) Число нейтронов на акт деления 239 Pu 742,5 1,8 2,871
235 U 582,2
2,0 2,418
Табл. 14. Эффективность захвата нейтронов изотопами урана 235
U и 238
U Скорость нейтронов 238 U
U Быстрые нейтроны, энергия (>1 МэВ) Происходит деление, захват маловероятен Происходит деление, захват маловероятен Промежуточные нейтроны, энергия (<10 эВ) Происходит захват 238 U + n
→ 239
U Захват маловероятен Тепловые нейтроны, энергия (< 0.5 эВ) Захват происходит очень редко (если происходит, образуется 239 U)
Происходит захват, ведущий к делению
Уран-233 - α-излучатель, Т=1,585⋅10 5 лет, материнские нуклиды 237 Pu(
α) 233
Np( β + ) 233
Pa( β - ), дочерний нуклид 229
Th. 233
U получается в атомных реакторах из тория: 232
Th захватывает нейтрон и превращается в 233
Th, который распадается на 233 Ра, а затем в 233 U. Ядра 233 U способны как к спонтанному делению, так и к делению под действием нейтронов любых энергий, что делает его пригодным к производству как атомного оружия, так и реакторного топлива (возможно расширенное воспроизводство ядерного горючего). Эффективное сечение деления быстрыми нейтронами 533
не встречается. Критическая масса 233 U в три раза меньше критической массы 235 U (около 16 кг). 233 U имеет
интенсивность спонтанного деления равную 720 делений/с ⋅кг.
235 U можно получить из 232 Th, облучением нейтронами: 232 Th + n → 233 Th → (22.2 мин, β - -распад) → 233 Pa → (27.0 дней, β - -распад) → 233 U (11) При поглощении нейтрона, ядро 233
U обычно делится, но изредка захватывает нейтрон, переходя в 234
U (этот процесс существенно менее вероятен, чем деление). Доля процессов неделения меньше, чем в других делящихся топлив ( 235
U, 239
Pu, 241
Pu). Она остаётся малой при всех энергиях нейтронов. Наработка 233
U из сырья для ториевой промышленности - долгосрочная стратегия развития ядерной индустрии Индии, имеющей существенные запасы тория. Вне Индии, интерес к топливному циклу на основе тория не слишком велик, хотя мировые запасы тория в три раза превосходят запасы урана. 233 U можно использовать как топливо в атомном реакторе, так и в оружейном заряде. В 1955 США проверили оружейные качества 233
U, взорвав бомбу на его основе в операции Teapot. С оружейной точки зрения 233 U, сравним с 239 Pu: его радиоактивность – 1/7 (Т=159200 лет против 24100 лет у плутония), его критическая масса на 60% выше (16 кг против 10 кг), а скорость спонтанного деления выше в 20 раз (6 ⋅10 -9
⋅10 -10
). Однако, так как его удельная радиоактивность ниже, то нейтронная плотность 233 U в три раза выше, чем у 239 Pu. Создание ядерного заряда на основе 233
U требует больших усилий, чем на плутонии: наличие в 233
U примеси 232
U затрудняет работы и позволяет легко обнаружить готовое оружие. Содержание 232 U в оружейном 233 U не должно превышать 5 частей на миллион (0.0005%). В коммерческом ядерном топливном цикле наличие 232
U не представляет собой большого недостатка, даже желательно, поскольку это снижает возможность распространения урана для оружейных целей. Удельная радиоактивность 233 U 9.636 милликюри/г, его α-активность (и радиотоксичность) составляет 15% от 239
Pu. Всего 1% 232
U увеличивает радиоактивность до 212 милликюри/г. Цепочка распада 233
U относится к нептуниевому ряду. Один из продуктов распада 233 U –
213 Bi. Висмут 213 применяют в терапии некоторых типов рака, включая острую миелоидную лейкемию и раковые образования поджелудочной железы, почек и других органов. Уран-235 – изотоп, способный давать быстроразвивающуюся цепную реакцию деления. Это – первый изотоп, на котором была открыта реакция вынужденного деления ядер под действием нейтронов. Поглощая нейтрон, 235
U переходит в 236
U, который делится на две части, выделяя энергию и испуская несколько нейтронов. Интенсивность спонтанного деления 235 U 0.16 делений/с ⋅кг. При делении одного ядра 235
U выделяется 200 МэВ энергии=3,2 ⋅10 -11
Дж, т.е. 18 ТДж/моль=77 ТДж/кг. Однако 5% этой энергии уносится недектируемыми нейтронами. Ядерное сечение тепловыми нейтронами составляет 1000 барн, а быстрыми нейтронами – 1 барн. 60-кг 235
U производит всего 9.6 делений/с, что упрощает изготовление атомной бомбы по пушечной схеме. 238 U создает в 35 раз больше нейтронов на килограмм, так что даже маленький процент этого изотопа увеличивает излучение в несколько раз, что крайне нежелательно. 234
U создает в 22 раза больше нейтронов, чем 235 U и даёт похожий на 238 U вредный эффект. Удельная активность 235 U всего 2.1 микрокюри/г; загрязнение его 0.8% 234
U поднимают ее до 51 микрокюри/г. Критическая масса оружейного урана. (93,5% 235 U) в водных растворах составляет менее 1 кг, для открытого шара – около 50 кг, для шара с отражателем – 15 – 23 кг. Замечание. Уран с содержанием 235 U более 85% называется оружейным ураном, с содержанием более 20% и менее 85% - ураном, годным к оружейному применению, поскольку из него можно приготовить «плохую» (неэффективную бомбу). Но из него можно изготовить и «хорошую» бомбу, если применить имплозию, нейтронные отражатели и некоторые дополненные ухищрения. К счастью, реализовать такие ухищрения на практике пока могут только 2-3 страны в мире. Сейчас, бомбы из урана, по-видимому, нигде не производятся (плутоний вытеснил уран из ядерного оружия), но перспективы урана-235 сохраняются благодаря простоте пушечной схемы урановой бомбы и возможности расширенного производства таких бомб при неожиданно возникшей необходимости. Будучи более легким, 234
U пропорционально обогащается даже ещё в большей степени, чем 235
U во всех процессах разделения природных изотопов урана, основанных на разнице в массах, что представляет определённую проблему при производстве зарядов атомных бомб. Высокообогащенный 235
U обычно содержит 1.5-2.0% 234 U.
Деление 235
U используется в атомном оружии, для производства энергии и для синтеза важных актинидов. Уран природного состава используется в ядерных реакторах для производства нейтронов. Цепная реакция поддерживается благодаря избытку нейтронов, образующихся при делении 235
U, в то же время избыточные нейтроны, невостребованные цепной реакцией, захватываются другим природным изотопом, 238 U, что приводит к получению плутония, также способного делиться под действием нейтронов. Уран-238 - делящийся нейтронами высоких энергий (более 1 МэВ), способный к самопроизвольному делению, составляет основу природного урана (99,27%), α-излучатель, Т=4,468⋅10 9 лет, непосредственно распадается на 234
Th, образует ряд генетически связных радионуклидов, и через 18 продуктов превращается в 206
Pb. Постоянная скорость распада ряда даёт возможность использования отношения концентраций материнского нуклида к дочернему в радиометрическом датировании. Период полураспада 238 U по
спонтанному делению точно не установлен, но он очень большой – порядка 10 16 лет, так что вероятность деления по отношению к основному процессу - испусканию α-частицы - составляет всего 10 -7 . Один
килограмм урана дает всего 10 спонтанных делений в секунду, а за это же время α-частицы излучают 20 миллионов ядер. Материнские нуклиды: 242
Pu( α),
238 Pa(
β - ) 234 Th, дочерний - 234 Th.
Рис. 2. Ядерные процессы при цепном делении урана.
Хотя 238 U не может быть использован как первичный делящийся материал, из-за высокой энергии нейтронов, необходимых для его деления, он занимает важное место в ядерной отрасли. Имея высокую плотность и атомный вес, 238 U пригоден для изготовления из него оболочек заряда/рефлектора в атомной и водородной бомбах. Тот факт, что он делится быстрыми нейтронами, увеличивает энерговыход заряда: косвенно, размножением отраженных нейтронов или непосредственно при делении ядер оболочки заряда быстрыми нейтронами (при синтезе). Примерно 40% нейтронов, образованных при делении и все нейтроны синтеза обладают достаточными для деления 238 U энергиями. 238 U имеет интенсивность спонтанного деления в 35 раз более высокую, чем 235
U, 5.51 делений/с ⋅кг. Это делает невозможным применение его в качестве оболочки заряда/рефлектора в бомбах пушечной схемы, ибо подходящая его масса (200-300 кг) создаст слишком высокий нейтронный фон. Чистый 238 U имеет удельную радиоактивность 0.333 микрокюри/г. Важная область применения этого изотопа урана - производство 239
Pu. Плутоний образуется в ходе нескольких реакций, начинающихся после захвата атомом 238 U нейтрона. Любое реакторное топливо, содержащее природный или частично обогащенный по 235-му изотопу уран, после окончания топливного цикла содержит в себе определенную долю плутония. Уран, получаемый из переработанного уранового топлива, помимо 238
U содержит довольно большие количества 236 U и все изотопы от 232 U до
238 U за исключением 237 U.
3.1.2 Устройство и принцип работы урановой атомной бомбы
В основу ядерного оружия положена неуправляемая цепная реакция деления ядра. Существуют две основные схемы: «пушечная» (баллистическая) и имплозионная. «Пушечная» схема характерна для самых примитивных моделей ядерного оружия первого поколения, а также артиллерийских и стрелковых ядерных боеприпасов, имеющих ограничения по калибру оружия. Суть её заключается в «выстреливании» навстречу друг другу двух блоков делящегося вещества докритической массы. Данный способ детонации возможен только в урановых боеприпасах, так как плутоний имеет более высокий нейтронный фон, что приводит к увеличению требующейся скорости соединения частей заряда, превышающий технически достижимые. Вторая схема подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом обычной химической взрывчатки, которой для фокусировки придаётся весьма сложная форма и подрыв производится одновременно в нескольких точках с прецизионной точностью.
Устройство и принцип работы урановой атомной бомбы поясним на примере бомбы «Малыш» (‘Little boy”), сброшенной американцами на японский город Хиросиму. Собрана она по пушечной схеме. Бомба Little boy, "Малыш ", сброшена на Хиросиму. Пушечная схема. Размеры 3 м в длину на 0.7 м в диаметре, делящийся материал - уран. Внутри укороченного гладкоствольного калибра 76.2 мм морского орудия подкритический снаряд из урана-235 поджигался у подкритической мишени из урана-235. В качестве метательного взрывчатого вещества используется бездымный порох. В момент столкновения образовывалась масса, превосходившая критическую, что запускало цепную ядерную реакцию. Ствол орудия и мощная оболочка придавали бомбе вес свыше 4-х тонн. Подкритический материал - сплав ораллой. Делящиеся материалы имели геометрическую форму, позволяющую выдержать силу выстрела в орудийном стволе, а затем резкую остановку в точке цели, и удерживаться вместе достаточно долго для детонации. Бомба свободного падения, подрыв воздушный.
Замечание. Во время Манхэттенского проекта природный уран получил название "tuballoy" (сокращенно "Tu") из-за подразделения проекта "Tube Alloy Division", это название все еще иногда встречается в отношении природного или обедненного урана. Кодовое имя высокообогащенного урана (особенно оружейного обогащения) - "oralloy".
Урановый заряд в бомбе состоит из двух частей: мишени и снаряда. Снаряд диаметром 10 и длинной 16 сантиметров представляет собой набор из шести урановых колец. В нём содержится 25.6 кг - 40% всего урана. Кольца в снаряде поддерживаются диском из карбида вольфрама и стальными пластинами и находятся внутри стального корпуса. Мишень массой 38.46 кг сделана в форме полого цилиндра диаметром 16 см и длиной 16 см. Она выполнена в виде двух отдельных половинок. Мишень вмонтирована в корпус, служащий отражателем нейтронов. Использованное в бомбе количество урана даёт критическую массу и без отражателя, однако его наличие, как и изготовление снаряда из более обогащенного урана (89% 235 U) чем
мишень (~80% 235
U), позволяет увеличить мощность заряда. Для производства "Малыша" потребовалось 64 кг обогащенного урана, что составляет ~2.5 критические массы. Для предотвращения случайного возникновения цепной реакции в мишени содержится боровая заглушка, а снаряд вложен в боровую оболочку. Бор является хорошим поглотителем нейтронов. Он увеличивает безопасность при перевозке и хранении снаряженного боеприпаса. Когда снаряд достигает цели, его оболочка отлетает, а заглушка в мишени выбрасывается из нее. Собранная оболочка бомбы состоит из корпуса из карбида вольфрама (служащим отражателем нейтронов), окруженного стальной рубашкой диаметром 60 см. Общая масса такой конструкции - 2.3 т. В просверленное в рубашке отверстие установлен карбидный корпус, в который вмонтирована мишень. В днище отверстия находится один
или несколько бериллиево-полониевых инициаторов.
Первая плутониевая бомба была взорвана на полигоне в 1945, т. е. через четыре года после его открытия как химического элемента и открытия деления его изотопа 239 Pu. Для этого потребовалось сначала построить урановый атомный реактор, наработать плутоний в этом реакторе из 238
U, затем выделить его из облучённого урана, хорошо изучить его свойства, изготовить бомбу. Химическое отделение плутония от урана оказалось более практичным, чем разделение изотопов 235
U и 238
U физическими методами. Простая пушечная схема, приемлемая для урана, для плутония не подходит: ядерная реакция начнётся преждевременно, и взрывной эквивалент окажется мизерным. Кроме того, пушечная схема требует большого количества плутония. Оружейный плутоний взрывают по имплозионным схемам: взрыв во внутрь из некритической создаёт критическую массу путём увеличения плотности плутония внешним сжатием. Мощность и коэффициент использования материала в иплозивных бомбах выше, чем в стволовых на два порядка. Схема эта сложна, требует точной организации обжима заряда.
При использовании в качестве делящегося материала плутония для вызова цепной ядерной реакции применялся принцип иплозии, «взрыва во внутрь». С помощью системы специальных линз расходящиеся взрывные волны преобразовывались в сходящуюся сферически симметричную ударную волну, резко сжимающую шарик из делящегося материала. Эта схема подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом обычной химической взрывчатки, которой для фокусировки придаётся весьма сложная форма и подрыв производится одновременно в нескольких точках с прецизионной точностью. По этой схеме работала бомба "Толстяк" (Fat Man), сброшенная на японский город Нагасаки. Замечание. Принцип имплозии, «взрыва во внутрь», успешно реализуется в плутониевых атомных бомбах. Но он может быть использован и для урановых зарядов. Так, применение схемы имплозии к урану позволило создать компактное тактическое оружие – артиллерийские снаряды, мины и т.п. Для создания имплозивного ядерного боеприпаса требуется менее 15 кг оружейного урана (обогащение 90%). В принципе, схема имплозии позволяет создать ядерное оружие на не слишком сильно обогащённом уране. Практически самый важный - изотоп 239
Pu с периодом полураспада Т 1/2
=2.44·10 4 лет, испускающий α- частицы (5,15 (69%), 5,453 (24%) и 5,351(0,15%) МэВ и слабое γ-излучение, поперечное сечение захвата тепловых нейтронов σ= 2,71⋅10 -26 м
2 . Скорость самопроизвольного деления 36 делений на 1 г/час, период полураспада по делению 5,5 ⋅10
15 лет. 1 кг 239 Pu эквивалентен 22 милионам киловатт час тепловой энергии. Взрыв 1 кг плутония равен взрыву 20000 тонн тротила. Единственный изотоп плутония, используемый в атомном оружии. Этот изотоп делится под действием тепловых нейтронов и используется в ядерных реакторах в качестве горючего, а в атомных бомбах, как взрывчатка. Он - первый искусственный элемент, производство которого началось в промышленных масштабах. 239
Pu получается в ядерных реакторах по реакции: ( )
→ ⎯ ⎯ ⎯ → ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ → ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ → ⎯ − − U Pu Np U n U лет дн мин 235
24065 , 239 33 , 2 , 239
23 , 239 238 ...
, α β β γ (12) Поперечное сечение реакции около 455 барн. Отделение плутония от урана, проводимое химическими методами, представляет относительно более простую задачу, чем разделение изотопов урана. Вследствие этого стоимость плутония вдвое ниже стоимости 235
U. Когда ядро 239
Pu делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 МэВ энергии. 239 Pu имеет большие сечения рассеивания и поглощения, чем уран и большее число нейтронов в расчете на одно деление (3,03 нейтрона на один акт деления по сравнению с 2,47 у 235
U), и, соответственно, меньшую критическую массу (для высокообогащенного урана значение критической массы составляет 52 кг, для оружейного плутония - 11 кг при пушечной схеме атомной бомбы, при имплозивной схеме, критические массы, естественно, намного меньше (для 239 Pu не более 6 кг). Чистый 239 Pu имеет среднюю величину испускания нейтронов от спонтанного деления примерно 30 нейтронов/с ⋅кг (~10 делений/с⋅кг). Сечение деления тепловыми нейтронами изотопа 239
94 Pu весьма велико (738 барн), причем один акт деления приводит к испусканию трёх нейтронов. Из-за сильной α-радиоактивности доля включения легких элементов в плутониевом заряде атомной бомбы не должна превышать нескольких частиц к миллиону (чтобы избежать реакций (α, n)).
σ f и захвата σ c изотопов урана и 239
Pu тепловых и быстрых нейтронов 0,025 эВ 1 МэВ σ
барн σ c барн ν η σ f барн σ c барн ν η
738 530
580 0 3,9 290 60
110 2,7
3,5 2,9
2,5 2,5
0 2,5
2,1 2,3
2,1 0 1,3 2 2 1,3 0,5 0,01
0,1 0,1
0,1 0,15
0,15 3 2,5 2,5 - 2,5 3 2,5
2,5 - 0,2 Здесь ν- число нейтронов, возникающих при одном акте деления, η - число нейтронов, идущих на деление. Табл. 16. Минимальные критические массы изотопов плутония
Относительно короткий период полураспада 239 Pu (по сравнению с 235 U) подразумевает значительное выделение энергии при радиоактивном распаде. 239
Pu производит 1.92 Вт/кг. На ощупь плутоний достаточно теплый. Если кусок плутония хорошо теплоизолировать, он разогреется до температуры свыше 100° за два часа и вскоре до точки перехода альфа в бета фазу. Такой разогрев представляет проблему для конструирования оружия из-за изменения объема, фазовых переходов нестабилизированного плутония. Удельная активность 239
Pu 61.5 мКи/г. Принадлежащие к одному радиоактивному семейству 239
Pu и 235
U, близки по характеру протекания процесса деления: Оба нуклида содержат четное число протонов и нечетное число нейтронов, и оба сильно возбуждаются при присоединении к ним нейтрона. Параметр деления
2 для 239 94
больше, чем для 235
92 U . Поэтому 239 94
легко делится тепловыми нейтронами. Делящийся изотоп 239 Рu при полном распаде дает тепловую энергию, эквивалентную 25000000 квт-час/кг, что открывает возможность использования 239
94 Pu в качестве ядерного горючего. Сильные потоки нейтронов (возникающие при наличии примеси 240
Pu) делают сложным сжатие ядра бомбы, содержащего несколько килограммов плутония, в надкритичное состояние. Не успев его достигнуть, заряд разрушался с большим, но отнюдь не с максимально возможным энерговыходом (КПД – первых бомб – не выше 10%). Сейчас прибегают к использованию смешанных зарядов, включающих урановую ( 235 U) и
плутониевую компоненты, причём содержание плутония существенно меньше, чем урана. Окончательно проблема примесного 240 Pu была снята с переходом на водородные бомбы: усиление за счет синтеза гарантировала высокое выделение энергии (высокий КПД), даже при маломощных начальных зарядах деления. Толстяк (
Fat Man) - кодовое имя атомной бомбы, разработанной в рамках Манхэттенского проекта, сброшенной 9 августа 1945 года на японский город Нагасаки спустя 3 дня после бомбардировки Хиросимы. Плутониевое ядро этой бомбы окружено массивной оболочкой из 238
U - тампером, которая служит для инерционного сдерживания раздувающегося в процессе цепной реакции ядра, чтобы как можно большая часть плутония успела прореагировать. Кроме того, тампер - отражатель нейтронов, покидающих активную зону реакции. В процессе соударений с ядрами 238
U нейтроны теряют энергию, замедляются, становятся тепловыми. Такие нейтроны с низкими энергиями наиболее эффективно поглощаются ядрами плутония. Тампер окружен обжимающей оболочкой из алюминия. Она обеспечивала равномерность сжатия ядерного заряда ударной волной, одновременно предохраняя внутренние части заряда от непосредственного контакта со взрывчаткой и раскалёнными продуктами её разложения. В бомбе имелся нейтронный инициатор - «ёжик» (урчин). «Ёжик» - шарик диаметром порядка 2 см из бериллия, покрытый тонким слоем сплава иттрия с полонием или металлического полония-210. «Ёжик» располагается внутри полого плутониевого ядра. Это - первичный источник нейтронов. Он срабатывает в момент перевода заряда в сверхкритическое состояние. При сжатии ядерного заряда бомбы взрывной волной ядра полония и бериллия в «ёжике» сближаются, и испускаемые радиоактивным 210 Ро
α-частицы выбивают из бериллия нейтроны. Дальше они пролетают сквозь основной заряд, инициируя при столкновениях с ядрами 239 Pu цепную ядерную реакцию. Те нейтроны, что выскакивают за пределы основного заряда, либо тормозятся в темпере, превращая там 238
U в новые ядра 239
Pu, либо отражаются назад в основной заряд. Эта схема всё же была признана малоэффективной, и неуправляемый тип нейтронного инициирования почти не применялся в дальнейшем.
Основная трудность при создании имплозивного заряда - обеспечить сферически симметричную сходящуюся ударную волну. Оболочка химического взрывчатого вещества (ВВ), окружавшего плутониевое ядро, разделена на отдельные блоки-линзы со своими взрывателями. В Толстяка было 32 такие линзы. Общая масса ВВ достигала 2300 кг, т. е. половину общей массы бомбы. Баллистический корпус имел эллиптическую форму и напоминал дыню. Чтобы противостоять осколкам зенитных снарядов, он был выполнен из броневой стали толщиной 9,5 мм. Масса корпуса тоже составляла почти половину массы бомбы. Размеры боеприпаса: диаметр 1520 мм, длина 3250 мм. Полная масса "Толстяка" составляла 4680 кг. Ядро бомбы Толстяк представляет собой набор вложенных друг в друга сфер: 1 - взрывчатая оболочка - 65 см, 2 - "толкатель"/поглотитель нейтронов - 23 см, 2 - урановый корпус/отражатель нейтронов - 11.5 см, 3 - плутониевое ядро - 4.5 см, 4 - бериллиево-полониевый нейтронный инициатор - 1 см.
Первая ступень - нейтронный инициатор, Урчин (Urchin-ёжик), представлял собой бериллиевую сферическую оболочку, диаметром 2 см и толщиной 0.6 см. Внутри нее находился бериллиевый вкладыш диаметром 0.8 см. Общий вес конструкции составляет около 7 граммов. На внутренней поверхности оболочки проделано 15 клиновидных щелей, глубиной 2.09 мм. Сама оболочка получена горячим прессованием в атмосфере карбонильного никеля, поверхность ее и внутренней сферы покрыта слоем никеля и золота. На внутренней сфере и щелях в оболочке осаждено 50 кюри
210 Ро (11 мг). Слои золота и никеля предохраняют бериллий от альфа-частиц, испускаемых полонием либо окружающим инициатор плутонием.
Инициатор закреплен на кронштейне внутри полости диаметром 2.5 см в плутониевом ядре. Урчин активизируется при достижении ударной волны центра заряда. Когда ударная волна достигает стенок внутренней полости в плутонии, ударная волна из испарившегося плутония воздействует на инициатор, сминая щели с полонием и создавая эффект Манро - сильные струи вещества быстро смешивают полоний и бериллий из внешней и внутренней сфер. α-частицы, испускаемые 210 Ро, поглощаются атомами бериллия, которые в свою очередь и испускают нейтроны.
Плутониевый заряд - девятисантиметровая сфера, с полостью в центре размером 2.5 см для нейтронного инициатора. Плутоний в ядре стабилизирован в дельта-фазе с низкой плотностью (плотность 15.9) при помощи сплавления его с 3% галлия по количеству вещества (0.8% по массе). Преимущества использования дельта-фазы по сравнению с более плотной альфа-фазой (плотность 19.2) состоят в том, что дельта-фаза ковкая и податливая, в то время как альфа-фаза ломкая и хрупкая, кроме того, стабилизация плутония в дельта-фазе позволяет избежать усадки при охлаждении и деформации заготовки после литья или горячей обработки.
Плутониевый заряд окружен корпусом из природного урана массой 120 кг и диаметром 23 см. Этот корпус образует 7 см слой вокруг плутония. Толщина урана обусловлена задачей сохранения нейтронов, так, слоя в несколько сантиметров достаточно для обеспечения торможения нейтронов. Более толстый корпус (превышающий по толщине 10 см) дополнительно обеспечивает значительное сохранение нейтронов для всей конструкции, однако, эффект "временного поглощения" присущий быстрым, экспоненциально развивающимся цепным реакциям уменьшает выгоды от использования более толстого отражателя. 20% энергии бомбы выделяется за счет быстрого деления уранового корпуса. Ядро и корпус образуют вместе минимально подкритическую систему. Когда при помощи имплозионного взрыва происходит сжатие сборки до 2.5 раз по сравнению с обычной плотностью, ядро начинает содержать около четырех-пяти критических масс.
Окружающий уран слой алюминия, толщиной ("толкатель" уменьшает действие тейлоровой волны, быстрого понижая давление, происходящего позади детонационного фронта. Эта волна имеет тенденцию возрастать при имплозии, вызывая быстрое падение давления при схождении детонационного фронта в одну точку. Частичное отражение ударной волны происходящее на границе раздела взрывчатки отправляет вторичный фронт обратно во взрывчатку, подавляя тейлорову волну. Это усиливает давление прошедшей волны, увеличивая сжатие в центре ядра. Алюминиевый "толкатель" содержит бор. Так как сам по себе бор хрупкое неметаллическое вещество, трудное в применении, то он содержится в форме удобного в обработке сплава с алюминием, называемого боракс (35-50% бора). Бор играет роль поглотителя нейтронов, предотвращая попадание обратно в плутониево-урановую сборку вылетающих оттуда нейтронов, замедлившихся в алюминии и взрывчатке до тепловых скоростей.
Уже в 1945 были ясны основные недостатки созданных на тот момент ядерных устройств: низкой боеготовность, невозможность хранения в снаряженном состоянии, опасность несанкционированного срабатывания, низкая эффективности использования дорогостоящих делящихся материалов, большого вес и габариты. Вскоре были сделаны существенные усовершенствования, позволившие увеличить мощность ядерных бомб при одновременном уменьшении их размеров и количества делящихся материалов. Вот главные из них: 1) полоний-бериллиевый нейтронный запал, срабатывающий при его механическом сжатии, был заменен на импульсный нейтронный источник, управляемый электрическим импульсом и способный выдать нужный поток нейтронов в момент наибольшего сжатия ядра из делящихся материалов; 2) применение технологии "левитирующего ядра" при которой тампер отделяется от ядра воздушным или вакуумным зазором; при этом к моменту соприкосновения с ядром тампер успевает набрать кинетическую энергию и возникает эффект "молотка", обеспечивающий значительно большую степень сжатия ядра; 3) "бустирование", т.е. усиление заряда путем заполнения полого ядра из делящихся материалов смесью дейтерия и трития - при сжатии ядра термоядерные реакции дают дополнительные нейтроны, увеличивающие степень выгорания делящихся материалов и мощность бомбы; 4) применение композитного ядра, состоящего из слоев высокообогащенного урана 235 и плутония. Мощность ядерного заряда, работающего исключительно на принципах деления тяжёлых элементов, ограничивается сотнями килотонн. Создать более мощный заряд, основанный только на делении ядер, если и возможно, то крайне затруднительно: увеличение массы делящегося вещества не решает проблему, так как начавшийся взрыв распыляет часть топлива, оно не успевает прореагировать полностью и оказывается бесполезным, лишь увеличивая массу боеприпаса и радиоактивное поражение местности. Самый мощный в мире боеприпас, основанный только на делении ядер, испытан в США 15.10.52, мощность взрыва 500 кт.
– разновидность ядерного оружия, в котором искусственно увеличена доля энергии взрыва, выделяющаяся в виде нейтронного излучения. Предназначено для поражения живой силы и вооружения противника при ограничения поражающих воздействий ударной волны и светового излучения. Относится к оружию массового поражения. Нейтронное оружие - термоядерные заряды сравнительно небольшой мощности, с высоким коэффициентом термоядерности, тротиловым эквивалентом в пределах 1–10 килотонн и повышенным выходом нейтронного излучения. При взрыве такого заряда за счет особой его конструкции достигается уменьшение доли энергии, преобразуемой в ударную волну и световое излучение, зато возрастает количество энергии, выделяемой в виде потока нейтронов высокой энергии (порядка 14 Мэв). Замечание. Принципиальное отличие устройства N-бомбы заключается в скорости выделения энергии. В нейтронной бомбе выделение энергии происходит гораздо медленнее, чем в водородной бомбе .
Нейтронный заряд конструктивно представляет собой обычный ядерный заряд малой мощности, к которому добавлен блок, содержащий небольшое количество термоядерного топлива (смесь дейтерия и трития). При подрыве взрывается основной ядерный заряд, энергия которого используется для запуска термоядерной реакции. Большая часть энергии взрыва при применении нейтронного оружия выделяется в результате запущенной реакции синтеза. Конструкция заряда такова, что до 80% энергии взрыва составляет энергия потока быстрых нейтронов, и только 20% приходится на остальные поражающие факторы (ударную волну, электромагнитное и световое излучение). При срабатывании заряда на каждую килотонну мощности выделяется 10 24 нейтронов. Взрыв такого заряда сопровождается также выделением значительного количества гамма-квантов, которые усиливают его поражающее действие.
Нейтронное оружие строится на принципе водородной бомбы, но во многих аспектах существенной отличается от неё. Для инициирования атомного взрыва используется не 239 Pu, а короткоживущие активно делящиеся актиниды с малой критической массой, термоядерную реакцию ведут не на дейтериде лития, а на тритии, оболочка бомбы выполняется из материала, не поглощающего нейтроны, существенно улучшены отражатели нейтронов, все материалы подвергаются глубокой очистке. Сильные потоки высокоэнергетических нейтронов возникают в ходе термоядерных реакций, например, горения дейтерий-тритиевой плазмы: D + T
→ 4 He (3.5 MэВ) + n (14.1 MэВ). (13) Примером является боеголовка W-70-mod-0, с максимальным энерговыходом 1 кт, из которых 75% образуется за счет реакций синтеза, 25% - деления. Отношение (3:1) означает, что на одну реакцию деления (~180 МэВ) приходится 31 реакция синтеза (~540 МэВ) D+T, что подразумевает беспрепятственный выход 97% нейтронов синтеза, т.е. без их взаимодействия с ураном пускового заряда. Поэтому синтез должен происходить в физически отделенной от первичного заряда капсуле. Отметим, что при температуре, развиваемой 250-тонным взрывом и нормальной плотности дейтериево - тритиевая смесь не будет гореть с высоким КПД. Термоядерное горючие должно быть предварительно сжато в 10 раз, чтобы реакция прошла достаточно быстро. Поэтому в нейтронных зарядах используется схема имплозии. В отличии от классических термоядерных зарядов, где в качестве термоядерного топлива находится дейтерид лития, вышеприведенная реакция имеет свои преимущества: 1) несмотря на дороговизну и нетехнологичность трития эту реакция легко поджечь; 2) большинство энергии, 80% - выходит в виде высокоэнергетических нейтронов 14.1 MeV, и только 20% - в виде тепла и гама- и рентгеновского излучения. Из особенностей конструкции стоит отметить отсутствие плутониевого запального стержня. Из-за малого
количества термоядерного топлива и низкой температуры начала реакции необходимость в нем отсутствует. Зажигание реакции происходит в центре капсулы, где в результате схождения ударной волны развивается высокое давление и температура. Общее количество делящихся материалов для 1-кт нейтронной бомбы 10 кг. 750-тонный энергетический выход синтеза обеспечивают 10 граммов дейтерий-тритиевой смеси. Газ можно сжать до плотности 0.25 г/см 3 , т.о. объем капсулы 40 см 3 (шарик 5-6 см в диаметре). Удельный выход нейтронов
, ) 1 (
f f c n KN N N ≡ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = − ≈ σ σ ϑ (14) где υ- число вторичных нейтронов, образующихся в одном акте деления; σ f и
σ c и - эффективные сечения деления ядер и нейтронного захвата в делящейся среде, N n - число наработанных нейтронов; N f - число делений. Удельный выход K = N n /N f - верхняя характеристика возможностей чисто ядерных зарядов, поскольку определенная часть нейтронов, выходящая из делящейся среды, будет энергетически ослаблена и поглощена во внешних частях бомбы. При использовании конкретных данных можно оценить K = 2 для 239 Pu и K = 1,5 для 235
U. Принимая условно среднее значение K = 1,75, получим, что удельный выход нейтронов из чисто ядерных зарядов не превышает 2,65·10 23 н/кт. При этом нейтронный спектр не будет жестче спектра деления ядер, и средняя энергия нейтронов не превосходит E n = 2,1 МэВ. Для термоядерного горючего в виде ДТ- смеси в условиях, когда роль термоядерных реакций дейтерий+ дейтерий мала, все определяется процессом T+D = n + He-4 + 17,6 МэВ. При этом энергия термоядерного нейтрона составляет E n =14.1 МэВ, а остальные 3,5 МэВ приходятся на энергию ядер 4 Не. Удельный выход нейтронов в данном процессе составляет N n =1,48·10 24 н/кт при учете собственной энергии нейтронов. По сравнению с чисто ядерным процессом, термоядерный процесс дает выигрыш в удельном выходе нейтронов 6 - 30 раз, и при этом энергия нейтрона в 6,7 раз выше. Это - верхние оценки, поскольку часть нейтронов будет замедлена и поглощена внутри N- бомбы. Проблема создания автономного термоядерного заряда ("чистой бомбы") до сих пор не решена и поэтому "нейтронная бомба", использующая термоядерное горение, по определению представляет собой двухстадийный ядерный заряд, в котором энерговыделение первичного модуля основано на процессе деления, а энерговыделение вторичного модуля основано на термоядерном горении. Таким образом, при фиксированном общем энерговыделении двух ядерных зарядов удельный выход нейтронов термоядерного заряда уменьшен по сравнению с предельными характеристиками, из-за вклада в общее энерговыделение доли ядерного первичного модуля. Пусть энерговыделение первичного и вторичного модулей одинаково, и термоядерное энерговыделение дает половину общего энерговыделения термоядерной реакции в 17,6 МэВ. Тогда удельный выход нейтронов N- бомбы 1,65·10 24 н/кт. Поэтому переход от чисто ядерных зарядов к нейтронной бомбе позволяет при равном энерговыделении увеличить выход нейтронов в шесть раз. Зона разрушений при взрыве мала, тогда как зона полного уничтожения всего живого может достигать радиуса 2 км - за счет биологического действия сверхбыстрых нейтронов с энергией 10 14 -10 17 эВ. На расстоянии 900 м от центра взрыва доза нейтронного облучения может равняться 80000 рад, 1400 м - 650 рад, 1700 м - 150 рад, 2,3 км - 1,5 рад. Быстрые нейтроны обладают в 7 раз большей биологической эффективностью, чем гамма-лучи. Заметим, что нейтронный взрыв вовсе не оставляет материальные ценности невредимыми: зона сильных разрушений ударной волной для 1 кт заряда имеет радиус 1 км. При движении в атмосфере в результате столкновений нейтронов и γ-квантов с атомами газов они постепенно теряют свою энергию. Степень их ослабления при этом характеризуется длиной релаксации – расстоянием, на котором их поток ослабевает в е-раз. Чем больше длина релаксации, тем медленнее происходит ослабление излучения в воздухе. Для нейтронов и гамма-излучения длина релаксации в воздухе у поверхности земли составляет 235 и 350 м соответственно. В силу разных значений длины релаксации нейтронов и γ-квантов с увеличением расстояния от эпицентра взрыва постепенно меняется их соотношение между собой в общем потоке излучения. На сравнительно недалеких расстояниях от места взрыва доля нейтронов значительно преобладает над долей γ-квантов, но по мере удаления от него это соотношение постепенно изменяется и для заряда мощностью в 1 кт их потоки сравниваются на расстоянии около 1500 м, а затем гамма-излучение будет преобладать. Мощный поток нейтронов не задерживается обычной стальной бронёй и намного сильнее проникает сквозь преграды, чем рентгеновское или γ-излучение, не говоря уже об α- и β- частицах. Благодаря этому нейтронное оружие способно поражать живую силу противника на значительном расстоянии от эпицентра взрыва и в укрытиях, даже там, где обеспечивается надёжная защита от обычного ядерного взрыва. Поражающее действие нейтронного оружия на технику обусловлено взаимодействием нейтронов с конструкционными материалами и радиоэлектронной аппаратурой, что приводит к появлению наведённой радиоактивности и, как следствие, нарушению функционирования. В биологических объектах под действием излучения происходит ионизация живой ткани, приводящая к нарушению жизнедеятельности отдельных систем и организма в целом, развитию лучевой болезни. На людей действует как само нейтронное излучение, так и наведённая радиация. В технике под действием потока нейтронов могут образовываться мощные и долго действующие источники радиоактивности, приводящие к поражению людей в течение длительного времени после взрыва. Так, например, экипаж танка, находящегося в 700 м от эпицентра нейтронного взрыва мощностью в 1 кт, мгновенно получит безусловно смертельную дозу облучения и погибнет в течение нескольких минут. Но если этот танк после взрыва начать использовать снова (физически он почти не пострадает), то наведённая радиоактивность приведёт к получению новым экипажем смертельной дозы радиации в течение суток. Из-за сильного поглощения и рассеивания нейтронов в атмосфере дальность поражения нейтронным излучением, по сравнению с дальностью поражения незащищённых целей ударной волной от взрыва обычного ядерного заряда той же мощности, невелика. Поэтому изготовление нейтронных зарядов высокой мощности нецелесообразно - излучение всё равно не дойдёт дальше, а прочие поражающие факторы окажутся снижены. Табл. 17. Распределение энергии взрыва по поражающим факторам, % Поражающие факторы Нейтронный боеприпас Ядерный боеприпас Ударная волна 40 50 Световое излучение 25 35 Проникающая радиация 30 4 Радиоактивное заражение местности 5 10 Электромагнитный импульс - 1
электромагнитное излучение в УФ, видимой и ИК областях спектра. Проникающая радиация - поток гамма-излучения и нейтронов, испускаемых из зоны и облака ядерного взрыва. Радиоактивное заражение - заражение поверхности земли, атмосферы, водоемов, предметов РВ, выпавшими из облака. Электромагнитный импульс - мощное электромагнитное излучение, сопровождающее ядерный взрыв. Document Outline
жүктеу/скачать 0,83 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|