Sabotaż (broń jądrowa) - Tamper (nuclear weapon)

Manipulacji stosuje się w konstrukcji broni jądrowej zmniejszenie masy krytycznej o broni jądrowej i opóźnić rozwój materiału reagującego z jej bezwładności . Broń rozpada się w miarę postępu reakcji, a to zatrzymuje reakcję, więc użycie sabotażu zapewnia trwalszą, bardziej energiczną i wydajniejszą eksplozję. Wydajność można dodatkowo zwiększyć dzięki zastosowaniu rozszczepialnego ubijaka.

Pierwsza broń nuklearna wykorzystywała ciężkie ubijaki z naturalnego uranu lub węglika wolframu , ale ciężki ubijak wymaga większego systemu implozji odłamkowo-burzącej i sprawia, że ​​całe urządzenie jest większe i cięższe. Pierwotny stopień nowoczesnej broni termojądrowej może zamiast tego używać lekkiego reflektora berylowego , który jest również przezroczysty dla promieni rentgenowskich po jonizacji , co pozwala na szybką ucieczkę energii pierwotnej, która może zostać wykorzystana do kompresji drugiego stopnia. Bardziej egzotyczne materiały manipulacyjne, takie jak złoto, są wykorzystywane do specjalnych celów, takich jak emitowanie dużych ilości promieni rentgenowskich lub maksymalizacja lub minimalizacja opadu radioaktywnego .

Podczas gdy efektem sabotażu jest zwiększenie wydajności, zarówno poprzez odbijanie neutronów, jak i opóźnienie rozszerzania się bomby, wpływ na masę krytyczną nie jest tak duży. Powodem tego jest czasochłonność procesu refleksji. Zanim odbite neutrony powrócą do jądra, minęło kilka pokoleń reakcji łańcuchowej , co oznacza, że ​​udział starszej generacji stanowi niewielki ułamek populacji neutronów.

Funkcjonować

W Atomic Energy for Military Purposes (1945) fizyk Henry DeWolf Smyth opisał funkcję sabotażu w projektowaniu broni jądrowej jako podobną do reflektora neutronowego stosowanego w reaktorze jądrowym :

Podobną powłokę można zastosować do zmniejszenia krytycznego rozmiaru bomby, ale tutaj powłoka pełni dodatkową rolę: sama jej bezwładność opóźnia ekspansję reagującego materiału. Z tego powodu taka koperta jest często nazywana sabotażem. Użycie tampera wyraźnie powoduje, że eksplozja trwa dłużej, jest bardziej energiczna i wydajniejsza.

Historia

Koncepcja otaczania rdzenia broni nuklearnej sabotażem została wprowadzona przez Roberta Serbera w jego Los Alamos Primer , serii wykładów wygłoszonych w kwietniu 1943 roku w ramach Projektu Manhattan , w ramach którego zbudowano pierwszą broń nuklearną . Zauważył, że ponieważ kluczem jest bezwładność, preferowane są najgęstsze materiały, a najlepszymi kandydatami są złoto , ren , wolfram i uran . Uważał, że mają one również dobre właściwości odbijania neutronów , chociaż ostrzegał, że w tej dziedzinie trzeba wykonać znacznie więcej pracy. Stosując elementarną teorię dyfuzji przewidział, że masa krytyczna broni jądrowej z sabotażem będzie równa jednej ósmej masy identycznej, ale nienaruszonej broni. Dodał, że w praktyce będzie to tylko jedna czwarta zamiast ósmej.

Serber zauważył, że właściwość odbicia neutronów nie była tak dobra, jak mogłoby się na pierwszy rzut oka wydawać, ponieważ neutrony powracające z kolizji w sabotażu wymagałyby na to czasu. Oszacował, że manipulacja uranu może zająć około ^10-7 sekund. Zanim odbite neutrony powrócą do jądra, minęło kilka pokoleń reakcji łańcuchowej , co oznacza, że ​​udział starszej generacji stanowi niewielki ułamek populacji neutronów. Powracające neutrony również zostałyby spowolnione przez zderzenie. Wynikało z tego, że do uzyskania takiego samego uwolnienia energii w przypadku ubijaka ze złota w porównaniu z uranowym, potrzeba o 15% więcej materiału rozszczepialnego, mimo że masy krytyczne różniły się o 50%. W tym czasie masy krytyczne uranu (a zwłaszcza plutonu ) nie były dokładnie znane. Uważano, że uran z uranowym ubijakiem może mieć około 25 kg, podczas gdy pluton około 5 kg.

Little Boy uranu bomba stosowany w bombardowania atomowego na Hiroszimę miała węglika wolframu (WC) sabotaż. Było to ważne nie tylko ze względu na odbicie neutronów, ale także ze względu na jego siłę w zapobieganiu przebiciu się pocisku przez cel. Ubijak miał promień 17,5 cm (6,9 cala) i grubość 11,3 cm (4,4 cala), o masie 317 kg (699 funtów). Była to około 3,5-krotność masy użytego materiału rozszczepialnego. Węglik wolframu ma wysoką gęstość i niski przekrój poprzeczny absorpcji neutronów. Powodem, dla którego zubożony uran, mimo że był dostępny w dużych ilościach dla Projektu Manhattan, nie został wykorzystany, jest to, że nadal ma stosunkowo wysoki współczynnik spontanicznego rozszczepienia wynoszący około 675 na kg na sekundę. Ubijak z zubożonym uranem o masie 300 kg miałby zatem niedopuszczalną szansę zainicjowania detonacji wstępnej . Węglik wolframu był powszechnie używany w broni nuklearnej typu uranu-233, używanej z działami artyleryjskimi z tego samego powodu.

Stosowanie rozszczepialnego ubijaka w celu zwiększenia wydajności ma swoje zalety. Uran-238 rozszczepi się po uderzeniu neutronem o mocy 1,6 megaelektronowolta (0,26  pJ ), a około połowa neutronów wytworzonych w wyniku rozszczepienia uranu-235 przekroczy ten próg. Jednak prędki neutron uderzający w jądro uranu-238 ma osiem razy większe prawdopodobieństwo nieelastycznego rozproszenia niż wytworzenia rozszczepienia, a kiedy to nastąpi, zostaje spowolniony do punktu poniżej progu rozszczepienia uranu-238. W typie Grubasa użytym w teście Trinity oraz w Nagasaki ubijak składał się z 7,0-centymetrowych (2,75 cala) muszli z naturalnego uranu i aluminium. Szacuje się, że do 30% plonu pochodziło z rozszczepienia naturalnego ubijaka uranu. Z tego oszacowano, że 14,5 tony TNT (61 GJ) z 21 kiloton TNT (88 TJ) pochodziło z fotorozszczepienia ubijaka.

W broni o zwiększonym rozszczepieniu lub broni termojądrowej 14,1 megaelektronowolta (2,26 pJ) neutrony wytwarzane w reakcji deuter - tryt mogą pozostać wystarczająco energetyczne do rozszczepienia uranu-238 nawet po trzech zderzeniach z deuterem, ale 2,45 megaelektronowolta (0,393 pJ ) te powstałe w wyniku fuzji deuteru z deuterem nie mają już wystarczającej energii nawet po jednym zderzeniu. Sabotaż uranu-235 rozszczepi się nawet przy wolnych neutronach. Ubijak z wysoko wzbogaconym uranem jest zatem bardziej wydajny niż ubijak ze zubożonym uranem, a do uzyskania tej samej wydajności można zastosować mniejszy ubijak. Stosowanie ubijaków wzbogaconego uranu stało się zatem bardziej powszechne, gdy wzbogacony uran stał się bardziej powszechny. Tor może być również używany jako ubijak rozszczepialny. Ma masę atomową prawie tak wysoką jak uran i mniejszą skłonność do rozszczepiania, co oznacza, że ​​ubijak musi być znacznie grubszy.

Ważnym osiągnięciem po II wojnie światowej był lekki ubijak berylowy . We wzmocnionym urządzeniu reakcje termojądrowe znacznie zwiększają produkcję neutronów, co sprawia, że ​​bezwładność sabotażu jest mniej ważna. Beryl ma niski przekrój wolnej absorpcji neutronów, ale bardzo wysoki przekrój rozpraszania. Pod wpływem wysokoenergetycznych neutronów wytwarzanych w reakcjach rozszczepienia beryl emituje neutrony. Z 10-centymetrowym (4 calowym) reflektorem berylowym, masa krytyczna wysoko wzbogaconego uranu wynosi 14,1 kg, w porównaniu z 52,5 kg w kuli bez tłumienia. Ubijak z berylu minimalizuje również utratę promieni rentgenowskich, co jest ważne w przypadku termojądrowej pierwotnej, która wykorzystuje swoje promienie rentgenowskie do kompresji drugiego stopnia.

Ubijak z berylu był rozważany przez Projekt Manhattan, ale berylu brakowało, a eksperymenty z sabotażem berylu rozpoczęły się dopiero po wojnie. Fizyk Louis Slotin zginął w maju 1946 roku w wypadku krytycznym z udziałem jednego. Urządzenie z sabotażem berylowym zostało pomyślnie przetestowane w operacji Tumbler-Snapper How w dniu 5 czerwca 1952 r. i od tego czasu beryl jest szeroko stosowany jako termojądrowe ubijaki sabotażowe.

W urządzeniach termojądrowych manipulator (lub „popychacz”) wtórny nie tylko odbija neutrony, ogranicza paliwo fuzyjne za pomocą jego masy bezwładnościowej i zwiększa wydajność dzięki rozszczepieniom wytwarzanym przez neutrony emitowane w reakcjach termojądrowych, ale także pomaga napędzać implozja radiacyjna i zapobiegają utracie energii cieplnej. Z tego powodu nadal preferowany jest ciężki ubijak.

Materiały alternatywne

Tor może być również używany jako ubijak rozszczepialny. Ma masę atomową prawie tak wysoką jak uran i niższą skłonność do rozszczepiania, co oznacza, że ​​ubijak musi być znacznie grubszy. Możliwe jest również, że państwo, które chce rozwinąć zdolność do broni jądrowej, może dodać pluton klasy reaktorowej do naturalnego ubijaka uranu. Mogłoby to powodować problemy z emisją neutronów z plutonu, ale można by to przezwyciężyć dzięki warstwie boru-10 , która ma duży przekrój neutronów do absorpcji wolnych neutronów, które rozszczepiają uran-238 i pluton- 239 , ale mały przekrój do absorpcji szybkich neutronów, które rozszczepiają uran-238. Był używany w broni termojądrowej do ochrony plutonowej świecy zapłonowej przed zabłąkanymi neutronami emitowanymi przez sabotaż uranu-238. W typie Fat Man naturalny ubijak uranowy został pokryty borem .

Materiały nierozszczepialne mogą być również używane jako ubijaki. Czasami były one zastępowane rozszczepialnymi w próbach jądrowych , gdzie wysoka wydajność była niepotrzebna. Najczęściej stosowanym nierozszczepialnym materiałem ubijaka jest ołów , który jest zarówno powszechnie dostępny, jak i tani. Brytyjskie konstrukcje często wykorzystywały stop ołowiowo- bizmutowy . Bizmut ma najwyższą liczbę atomową spośród wszystkich nierozszczepialnych materiałów ubijaka. Zastosowanie ołowiu i bizmutu zmniejsza opad radioaktywny, ponieważ żaden z nich nie wytwarza izotopów, które po napromieniowaniu neutronami emitują znaczne ilości promieniowania gamma .

Głowica W71 zastosowana w pocisku antybalistycznym LIM-49 Spartan miała złotą sabotaż wokół swojego wtórnego, aby zmaksymalizować emisję promieni rentgenowskich, których używała do obezwładniania nadlatujących głowic nuklearnych. Napromieniowanie złota-197 daje złoto-198, które ma okres półtrwania 2,697 dni i emituje promieniowanie gamma 0,412 megaelektronowolta (0,0660 pJ) i cząstki beta 0,96 megaelektronowolta (0,154 pJ) . W związku z tym wytwarza krótkotrwałe, ale intensywne promieniowanie, które może mieć zastosowanie na polu bitwy, chociaż nie było to jego celem w W71. Kolejnym elementem ocenianym przez USA w tym celu był tantal . Naturalny tantal to prawie w całości tantal-181, który po napromieniowaniu neutronami staje się tantalem-182, emiterem promieniowania beta i gamma z okresem półtrwania 115 dni. Dobrze znanym pomysłem na użycie alternatywnego materiału jest bomba kobaltowa .

Kobalt jest słabą perspektywą sabotażu, ponieważ jest stosunkowo lekki i jonizuje przy 9,9 kiloelektronowoltów (1,59 fJ), ale naturalny kobalt to w całości kobalt-59, który staje się kobaltem-60 po napromieniowaniu neutronami. Przy okresie półtrwania wynoszącym 5,26 lat może to spowodować długotrwałe skażenie radioaktywne. Brytyjski test jądrowy Tadje w Maralinga wykorzystywał granulki kobaltu jako „znacznik” do określania wydajności. To podsyciło plotki, że Wielka Brytania opracowywała bombę kobaltową.

Fizyka

Równanie dyfuzji liczby neutronów w jądrze bomby wyraża się wzorem:

${\ Displaystyle {\ Frac {\ częściowy N} {\ częściowy t}} = {\ Frac {v_ {n}} {\ lambda _ {f} ^ {rdzeń}}} (\ nu -1) N + {\ Frac {\lambda _{t}^{rdzeń}v_{n}}{3}}(\nabla ^{2}N)}$

gdzie to gęstość liczbowa neutronów, to średnia prędkość neutronów, to liczba neutronów wtórnych wytwarzanych na rozszczepienie, to średnia swobodna droga rozszczepienia i to średnia swobodna droga transportu neutronów w jądrze. ${\ Displaystyle N}$${\displaystyle v_{n}}$${\displaystyle \nu}$${\ Displaystyle \ lambda _ {f} ^ {rdzeń}}$${\ Displaystyle \ lambda _ {t} ^ {rdzeń}}$

${\ Displaystyle N}$nie zależy od kierunku, więc możemy użyć tej postaci operatora Laplace'a we współrzędnych sferycznych:

${\ Displaystyle \ nabla ^ {2} N = {\ Frac {1} {R ^ {2}}} {\ Frac {\ częściowy} {\ częściowy R}} {\ Bigl (} R ^ {2} {\ frac {\częściowy N}{N}}{\duży )}}$

Rozwiązanie rozłącznego równania różniczkowego cząstkowego daje nam:

${\ Displaystyle N_ {rdzeń} (r, t) = N_ {0}e ^ {(\ alfa / \ tau) t} {\ Bigl [} {\ Frac {sin (r / d_ {rdzeń})} {r }}{\Większy ]}}$

gdzie

${\ Displaystyle \ tau = \ lambda _ {f} ^ {rdzeń} / v_ {n}}$

oraz

${\ Displaystyle d_ {rdzeń} = {\ sqrt {\ Frac {\ lambda _ {f} ^ {rdzeń} \ lambda _ {t} ^ {rdzeń}} {3 (- \ alfa + \ nu -1)}} }}$

W przypadku sabotażu można pominąć pierwszy człon w pierwszym członie pierwszego równania odnoszącego się do wytwarzania neutronów, pozostawiając:

${\ Displaystyle {\ Frac {\ częściowy N} {\ częściowy t}} = {\ Frac {\ lambda _ {t} ^ {rdzeń} v_ {n}} {3}} (\ nabla ^ {2} N) }$

Ustaw stałą separacji jako . Jeżeli (co oznacza, że ​​gęstość neutronów w ubijaku jest stała) rozwiązanie staje się: ${\ Displaystyle \ delta / \ tau}$${\ Displaystyle \ delta = 0}$

${\ Displaystyle N_ {sabotaż} = {\ Frac {A} {r}} + B}$

Gdzie i są stałymi integracji . ${\ Displaystyle A}$${\ Displaystyle B}$

Jeśli (co oznacza, że ​​gęstość neutronów w ubijaku rośnie) rozwiązanie staje się: ${\ Displaystyle \ delta > 0}$

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

gdzie

${\ Displaystyle d_ {sabotaż} = {\ sqrt {\ Frac {\ lambda _ {f} ^ {rdzeń} \ lambda _ {t} ^ {rdzeń}} {3}}}}$

Serber zauważył, że na granicy między rdzeniem a tamperem strumień dyfuzji neutronów musi być ciągły, więc jeśli rdzeń ma promień, to: ${\displaystyle R_{rdzeń}}$

${\ Displaystyle N_ {rdzeń} (R_ {rdzeń}) = N_ {sabotaż} (R_ {rdzeń})}$

Jeżeli prędkość neutronów w rdzeniu i tamperze jest taka sama, to i: ${\ Displaystyle \ alfa = \ delta}$

${\ Displaystyle \ lambda _ {t} ^ {rdzeń} {\ Bigl (} {\ Frac {\ częściowy N_ {rdzeń}} {\ częściowy r}} {\ Bigr}}} _ {R_ {rdzeń}} = \lambda _{t}^{sabotaż}{\Bigl (}{\frac {\częściowy N_{sabotaż}}{\częściowy r}}{\Bigr )}_{R_{rdzeń}}}$

W przeciwnym razie każda strona musiałaby zostać pomnożona przez odpowiednią prędkość neutronów. Także:

${\ Displaystyle N_ {sabotaż} (R_ {sabotaż}) = - {\ Frac {2} {3}} \ lambda _ {t} ^ {sabotaż} {\ Bigl (}{\ Frac {\ częściowy N_ {sabotaż} }{\częściowy r}}{\Wielki )}_{R_{rdzeń}}}$

W przypadku, gdy : ${\ Displaystyle \ alfa = \ delta = 0}$

${\ Displaystyle {\ Bigl [} 1 + {\ Frac {2R_ {sabotaż} ^ {próg} \ lambda _ {t} ^ {sabotaż} {3R_ {sabotaż} ^ {2}}} - {\ Frac {R_ {sabotaż}^{próg}}{R_{sabotaż}}}{\Bigr ]}{\Bigl [}{\Bigl (}{\frac {R_{sabotaż}^{próg}}{d_{rdzeń}}} {\Bigr )}łóżeczko{\Bigl (}{\frac {R_{sabotaż}^{próg}}{d_{rdzeń}}}{\Bigr )}-1{\Bigr ]}+{\frac {\lambda _{t}^{sabotaż}}{\lambda _{t}^{rdzeń}}}=0}$

Jeśli sabotaż jest naprawdę gruby, to można to w przybliżeniu określić jako: ${\ Displaystyle R_ {sabotaż} \ gg R_ {sabotaż} ^ {próg}}$

${\ Displaystyle {\ Bigl (}{\ Frac {R_ {sabotaż} ^ {próg}} {d_ {rdzeń}}} {\ Bigr}} łóżeczko {\ Bigl (}{\ Frac {R_ {sabotaż} ^ {próg }}{d_{rdzeń}}}{\Bigr )}=1-{\frac {\lambda _{t}^{sabotaż}}{\lambda _{t}^{rdzeń}}}}$

Jeśli sabotażem (nierealistycznie) jest próżnia, to przekrój rozpraszania neutronów wynosiłby zero i . Równanie staje się: ${\ Displaystyle \ lambda _ {t} ^ {sabotaż} = \ infty}$

${\ Displaystyle {\ Bigl (}{\ Frac {R_ {sabotaż} ^ {próg}} {d_ {rdzeń}}} {\ Bigr}} łóżeczko {\ Bigl (}{\ Frac {R_ {sabotaż} ^ {próg }}{d_{core}}}{\Bigr )}=-\infty }$

który spełnia:

${\ Displaystyle {\ Bigl (}{\ Frac {R_ {sabotaż} ^ {próg}} {d_ {rdzeń}}} {\ Bigr}} = \ pi}$

Jeśli sabotaż jest bardzo gruby i ma właściwości rozpraszania neutronów zbliżone do rdzenia, tj.:

${\ Displaystyle \ lambda _ {t} ^ {sabotaż} \ sim \ lambda _ {t} ^ {rdzeń}}$

Wtedy równanie staje się:

${\ Displaystyle {\ Bigl (}{\ Frac {R_ {sabotaż} ^ {próg}} {d_ {rdzeń}}} {\ Bigr}} łóżeczko {\ Bigl (}{\ Frac {R_ {sabotaż} ^ {próg }}{d_{rdzeń}}}{\Większy )}=0}$

który jest spełniony, gdy:

${\ Displaystyle {\ Frac {R_ {sabotaż} ^ {próg}} {d_ {rdzeń}}} = \ pi /2}$

W tym przypadku promień krytyczny jest dwa razy większy niż gdyby nie było manipulacji. Ponieważ objętość jest proporcjonalna do sześcianu promienia, dochodzimy do wniosku Serbera, że ​​teoretycznie możliwe jest ośmiokrotne zmniejszenie masy krytycznej.

Uwagi

Bibliografia