Ядерное образование: Первые этапы расследования ядерных событий 11 сентября 2001 года.

Автор: Гордон Дафф

…авторы: Гордон Дафф, старший редактор, и члены следственной группы Министерства энергетики по расследованию событий 11 сентября.

«Всё, что нам рассказывают о ядерном оружии, о том, кто его производит, как оно работает и для чего оно нужно, — ложь. Если правда — сирота, возможно, мы можем обеспечить ей необходимое родительское воспитание».… Гордон  Дафф

_________________________________

«Можно создать очень маленькое и компактное термоядерное оружие, состоящее из 1,5 грамма трития и 660 граммов ПУ-239. Это позволит произвести достаточно нейтронов для прямого деления 120 граммов плутония и косвенного деления 660 граммов плутония с учетом вторичных нейтронов. Взрывная энергия, выделяемая при создании очень маленького термоядерного оружия такого размера, составляет 0,20 кт или около 200 тонн тротила. В гораздо большем оружии, содержащем 4,5 кг плутония, это высвободит 11,6 кт энергии. Возможна более высокая суммарная мощность и эффективность».

…(предоставлено ведущим следователем группы Министерства энергетики по расследованию событий 11 сентября) …Примечание: текст отредактирован по соображениям национальной безопасности. Всем, кто пытается манипулировать этими формулами, мы советуем привести свои финансовые дела в порядок, написать последние письма… и, пожалуйста, отправиться куда-нибудь в пустыню на отдых.

___________________________

[  Примечание редактора : Клинтон Бастин скончался в начале этого года, унеся с собой свою 40-летнюю карьеру в Комиссии по атомной энергии и Министерстве энергетики, а также тот огромный багаж знаний, которым мы обладали благодаря его брифингам, что позволило нам подвести итоги его работы.]

Но пока он был здесь, мы много сделали, и мы ему благодарны за то, что он ввел нас в курс дела. Он был гигантом, всемирно известным экспертом и бывшим президентом профсоюза работников атомной энергетики, созданного после Чернобыля. И было очень удобно, что он находился прямо здесь, в Атланте.

Он однажды сказал мне, что все ядерные отходы, которые мы произвели в США к настоящему времени, покрыли бы футбольное поле высотой от пяти до шести футов. Огромный объем, с которым мы имеем дело сейчас, — это преувеличение, поскольку большая его часть представляла собой «наполнитель и стабилизатор». Инженеры предполагали, что 98% из них могли бы оставаться в постоянном использовании при условии правильного циклического использования, но эта идея была полностью отвергнута.

Для определения наилучших инженерных решений требовалось финансирование на разработку, и именно поэтому проект был сорван… без финансирования. Когда инженеры начали бороться за это, в итоге во главе агентства оказался инженер, которого заменили физики-академики, никогда не работавшие ни на одном из заводов. В это просто невозможно поверить. Вы даже не представляете, как я был поражен, когда он все это изложил. Его неприязнь к Министерству энергетики была запредельной.

Он рассказал нам о том, как политики выбрали ядерную политику, которая обеспечивала огромные постоянные прибыли за счет бесконечных проблем с техническим обслуживанием и безопасностью, вместо политики многократного повторного использования ядерного топлива, которая бы устранила проблему хранения и постоянной закупки урана. Похоже, производителям оружия такой подход не понравился.

В то время нас больше всего интересовала мистификация с иранской программой ядерного оружия. Он уничтожил всю информацию, которая была обнародована как здесь, так и в Израиле. Ирану потребовалось бы как минимум десять лет, чтобы завершить программу, и мы смогли бы сразу же это обнаружить различными способами.

Американский народ и весь мир были здесь использованы не по назначению, и они заслуживают возмездия за то, что им пришлось пережить, — всё это было лишь театрализованным представлением, призванным манипулировать нами.

Клинтон не был в курсе событий 11 сентября, это стало известно позже, благодаря его ученикам и протеже. Главный обман, который мы там обнаружили, заключался в том, что опасения по поводу распространения ядерного оружия тоже были обманом, поскольку США давно передали Израилю все свои ядерные боеголовки типа «Дэви Крокетт», а материалы из этих боеголовок были использованы в более современных конструкциях и в конечном итоге оказались использованы в террористических актах, ответственность за которые возложили на другие стороны… ужасные вещи.

Таким образом, со стороны нашего правящего класса, а также силовых структур, которые никогда не предупреждали нас о том, что это оружие находится повсюду, имело место множество предательств, потому что они хотели скрыть, кто был инициатором всего этого.

А современные разработчики элитного оружия стремились создавать более чистые, компактные и точно нацеленные на цель виды оружия, что значительно снижало сопутствующий ущерб и радиационные последствия. 

Они были недовольны тем, что их разработки были использованы в террористических атаках прямо здесь, в США, на которые могли быть способны только высокопоставленные чиновники, и/или при содействии страны/стран, которым мы поставляем материалы ядерного оружия. Самая большая угроза национальной безопасности для всех нас была скрыта от нас из-за того, кто в ней замешан.

Эта информация всплывает сейчас, потому что необходимо переосмысление, перезагрузка, чтобы пересмотреть то, что якобы было сделано для нашей национальной обороны, и то, что, как мы теперь знаем, было превращено в угрозу внутреннего терроризма теми, кто находится внутри страны. Приглашаем всех желающих присоединиться.

В конце концов, на кону ваши жизни, жизни ваших семей и будущих поколений. Кроме того, вы за всё это заплатили и будете продолжать платить. Мы считаем, что вы имеете право знать, как и преданные своему делу конструкторы и инспекторы оружия, которые работали над тем, чтобы поступить правильно, и пытаются сделать это сейчас… Джим У. Дин

_________________________________

Термобарические и нейтронные ядерные «инженерные устройства»… Отчет Министерства энергетики.

Впервые в американской истории высокопоставленные ученые-ядерщики выступили с разоблачениями масштабного правительственного сокрытия информации. Издание VT опубликовало ключевые разделы совершенно секретного отчета Министерства энергетики США от 2003 года о событиях 11 сентября, доказывающие, что Всемирный торговый центр был разрушен с помощью специализированных ядерных боеприпасов, созданных на основе украденных американских боеголовок.

Для тех, кто решил проигнорировать неопровержимые доказательства, уже опубликованные ранее, мы, в сотрудничестве со следственной группой Министерства энергетики, публикуем наиболее полное из когда-либо доступных доказательств знаний в области технологий ядерного оружия.

Первоначальные следователи, работавшие на месте трагедии 11 сентября, утверждают, что их больше не заставляют молчать, что нынешняя администрация отменила запрет на разглашение информации. Они также заявили, что их контакты на самых высоких уровнях в аппарате безопасности правительства США предупредили их о том, что многие «активисты, борющиеся с событиями 11 сентября», на самом деле проводят операцию под прикрытием, помогая Министерству внутренней безопасности и другим ведомствам в их незаконной слежке.

Они называют крупнейшие и наиболее финансируемые группы не «привратниками», а «профессиональными доносчиками». Поскольку большая часть материалов о 11 сентября представляет собой либо дикие спекуляции, либо странные теории о «привратниках», представленная ниже работа — это наш способ поднять планку до уровня, которого другие никогда не смогут достичь.

Когда я связался с командой Министерства энергетики, они следили за продолжающимся сокрытием информации о событиях 11 сентября, которое, по их словам, теперь осуществляется самим движением «сторонников теории заговора». В этом смысле «свет» — лучший способ борьбы с тьмой. Многие заявляют, что являются экспертами в области взрывчатых веществ, инженерии и так далее. Когда настоящие эксперты дают волю своим чувствам, разгневанные действиями полицейских информаторов и «нюхачей», от этого выигрывают все.

Приведенный ниже документ демонстрирует,  как даже реакторное топливо может быть использовано для создания мощного ядерного оружия, предоставляет исторический контекст для технологии ядерного оружия и балансирует на грани публикации самых секретных научных тайн в истории мира.

Примечание редактора: Некоторые точные цифры и формулы были отредактированы по соображениям национальной безопасности и могут быть не на 100% точными. 

______________________

Презентация первая: Малое ядерное устройство (не пытайтесь повторить это дома без надзора квалифицированного специалиста).

В конструкции термоядерного оружия с очень малым одноточечным сжатием, делящийся сердечник изготовлен из плутония и собирается методом линейной имплозии. Обычно он изготавливается из сплавов вольфрама и урана. Вольфрам используется для обеспечения высокоатомного материала для радиационного корпуса и для толкателя/затвора топливной капсулы. Уран может использоваться просто для обеспечения инерционной массы вокруг системы сжатия сердечника, а также частично служит в качестве нейтронного отражателя и затвора.

Ниже представлен эскиз дизайна . Размеры указаны в сантиметрах. Они указаны вдоль левой и нижней границы дизайна. Вся остальная информация отредактирована по соображениям национальной безопасности.

___________________________________

0CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC

9CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCRRRRRRRRC

8CCEEEEEEEEEEEEEEEEE RRRR RRRRC

7CCEEEEEEEEEEEEEEEEE RRR RRRC

6CCEEEEEEEEEEEEEEE RRC

5CCEEEEeffffffffEEEEE RRC

4CCEEEfffffffffffEEERRRR RRC

3CCEEfffffffffffffEERRR HH RC

2CCEEffffffffffffEERR HHHH RC

1CCEEffffffffffffFERR HHHHHH RC (острый конец ->)

0CCEEffffffffffffEERR HHHHHH RC

9CCEEffffffffffffEERR HHHH RC

8CCEEffffffffffffEERRR HH RC

7CCEEefffffffffffEEERRRR RRC

6CCEEEEffffffffffEEE RRC

5CCEEEEEEEEEEEEEEE RRC

4CCEEEEEEEEEEEEEEEEE RRR RRC

3CCEEEEEEEEEEEEEEEEE RRRR RRRRC

2CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCRRRRRRRRRC

1CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC

01234567890123456789012345678901234567

Легенда:

C – корпус (сталь и уран?)

Е – взрывчатое вещество

f – делящийся материал (плутоний)

R – радиационный экран/радиационный корпус (вольфрам)

H – водородная топливная капсула, изготовленная из вольфрама и заполненная газом ДТ.

Масса делящегося материала  в этой конструкции составит максимум 10 кг. Для достижения мощности термоядерного синтеза в 750 тонн потребуется не менее 10 г смеси DT в качестве термоядерного топлива. При высоком статическом давлении водород может достигать плотности около 0,1 моль/см³ (0,25 г/см³ для DT).
Это указывает на объем топливной капсулы не менее 40 см³, сферический радиус 2,5-3 см, включая толщину стенки, и сферический радиус 10 см для внешней оболочки оружия. Примечание: Точные цифры отредактированы по соображениям национальной безопасности.

________________________________

Реальное ядерное оружие; Презентация вторая

При проектировании ядерного оружия  сжатие ПУ-239 до плотности выше нормальной (достижимые коэффициенты в оружии достигают примерно 3) пропорционально уменьшает физические размеры системы (критической массы).

При вычислении эффективной реактивности системы необходимо также учитывать скорость потери нейтронов в результате выхода из системы. Эта скорость измеряется числом нейтронов, теряемых при одном столкновении. Для данной геометрии скорость определяется размером ядра.

Иными словами, для заданной геометрии и степени реакционной способности размер активной зоны определяется только параметром C, или размером сжатия активной зоны. Чем выше значение сжатия активной зоны, тем меньше может быть размер сборки. Представление о влиянии сжатия активной зоны на размер критической сборки можно получить из следующей таблицы критических радиусов для голой (неотраженной) сферы:

 Критический радиус (Cr) против (c)

Степень сжатия, критический радиус в см.

1.0 бесконечность

1.02 12.027

1.05 7.277

1.10 4.873

1.20 3.172

1.40 1.985

1.60 1.476

Если заданы состав, геометрия и реакционная способность системы, то размер системы фиксирован. Следовательно, физический размер или масштаб системы (измеряемый в сантиметрах) обратно пропорционален её плотности. Поскольку масса системы равна объёму, умноженному на плотность, а объём изменяется пропорционально кубу радиуса. Для удвоения плотности одного кубического сантиметра урана (18,9 грамма) требуется 1,7 × 10¹² эрг для ударного сжатия.

Это количество энергии, содержащееся в 40 граммах тротила, что примерно вдвое превышает вес урана. Эффективность системы имплозии в передаче энергии мощного взрывчатого вещества в ядро ​​обычно не превышает 30%. Это позволяет нам сделать хорошую оценку количества взрывчатого вещества, необходимого для сжатия заданного количества урана или плутония до высокой плотности (минимум в 6 раз больше массы делящегося материала, что соответствует коэффициенту сжатия 2).

То есть критическая масса системы обратно пропорциональна квадрату плотности. C — степень сжатия (отношение плотностей). Этот закон масштабирования применим как к открытым сердечникам, так и к сердечникам с окружающим отражателем, если плотность отражателя имеет одинаковую степень сжатия.

В реальных конструкциях оружия это обычно не так  : более высокая степень сжатия, как правило, достигается в активной зоне, чем в отражателе. Эти же соображения справедливы и для любой другой заданной степени реактивности, а не только для критически важных активных зон. Эти кривые также показывают, что очень высокие ударные сжатия (четыре и выше) настолько энергозатратны, что становятся нецелесообразными.

Для достижения коэффициента сжатия всего в 3 раза требуется 7,1 × 10¹¹ эрг/г урана. С учетом эффективности имплозии (30%), масса взрывчатого вещества (если это тротил) должна быть в 56 раз больше массы сжимаемого материала. Таким образом, сообщения о сжатии в четыре раза и более можно смело игнорировать. Показатели сжатия плутония выше 30 килобар не сильно отличаются от показателей сжатия урана. Хотя при низком давлении наблюдаются значительные колебания плотности от элемента к элементу, элементы с низкой плотностью также являются наиболее сжимаемыми, поэтому при высоких давлениях (несколько мегабар) график зависимости плотности от атомного номера становится довольно плавной функцией.

Это означает, что различия в поведении U и Pu при низком давлении, как правило, исчезают в области высокого давления. Даже в области низкого давления имеющаяся информация показывает, что разница в поведении не так уж велика, несмотря на большое количество фаз (шесть) и поведение плутония при атмосферном давлении.

Фазы обоих металлов с самой высокой плотностью имеют почти одинаковые атомные объемы при комнатной температуре, а количество фаз обоих металлов быстро уменьшается с увеличением давления, при этом при давлении выше 30 килобар для обоих металлов существует только две фазы.

Фаза плутония с наименьшей плотностью , в частности дельта-фаза, исчезает очень быстро. Количество энергии, затрачиваемой на сжатие при этих низких давлениях, незначительно. Таким образом, данные по сжатию урана являются хорошей заменой данным по плутонию, особенно при высоких давлениях и сильном сжатии. Ниже показаны ударные и изоэнтропические давления, необходимые для построения кривых энергии сжатия. Давление, указанное по оси X, выражено в килобарах, по оси Y — относительное изменение объема (V/V₀).

_____________________________

 Необходимое давление для ударного и изоэнтропического сжатия урана

Поскольку интересующие нас энергии сжатия  изменяются на много порядков величины при сжатиях до 3, часто удобнее рассматривать логарифмические графики энергии. На рисунке 4.1.6.2.1-3 ниже представлена ​​изоэнтропическая кривая от 10^7 эрг/см^3 до 10^12 эрг/см^3.
Поскольку энергия ударного сжатия практически идентична изоэнтропическому значению при малых сжатиях, кривая ударного сжатия приведена для энергии сжатия 10^10 эрг/см^3 (V/V_0 ~ 0,9).

______________________________

 Логарифмический график энергии, необходимой для изоэнтропического сжатия урана.

Системы генерации ударных волн

Единственный практический способ генерации ударных волн  в оружии — использование взрывчатых веществ. При соответствующем инициировании эти энергетические материалы поддерживают детонационные волны: самоподдерживающуюся ударную волну, которая запускает химические реакции, высвобождающие энергию, и движется за счет расширяющихся газов, образующихся в результате этих реакций. Обычно взрывчатое вещество инициируется в одной точке.
От этой точки детонация распространяется в виде выпуклой детонационной волны с более или менее сферической поверхностью. Для осуществления имплозии расходящаяся детонационная волна должна быть преобразована в сходящуюся (или плоскую для линейной имплозии).

Орудийный узел.

Это была первая технология, использованная  для создания ядерных взрывов деления, и первая, успешно разработанная. Первым ядерным оружием, примененным в войне, стала бомба пушечного типа под названием «Малыш», сброшенная на Хиросиму. Базовая конструкция пушечного орудия очень проста как по концепции, так и по исполнению.

Сверхкритический узел разделен на две части, каждая из которых является субкритической. Одна из них, снаряд, приводится в движение другой, называемой мишенью, под действием давления продуктов сгорания пороха в стволе орудия. Поскольку артиллерийские технологии очень хорошо развиты, существенных технических проблем, связанных с проектированием или изготовлением системы узла, практически нет.

Простая конструкция с одним орудием (одна цель, один снаряд) накладывает ограничения на оружие, массу и эффективность. Конструкции орудий могут использоваться для различных целей. Они очень просты и могут применяться в условиях ограниченных ресурсов на разработку или при необходимости обеспечения исключительной надежности.

Конструкции орудий естественны  в тех случаях, когда оружие может быть относительно длинным и тяжелым, но диаметр орудия сильно ограничен – например, ядерные артиллерийские снаряды (которые являются «орудийным» оружием в двух смыслах!) или грунтопроникающие «бункерные орудия» (здесь характеристики ствола орудия – длинный, узкий, тяжелый и прочный – идеальны).

Одиночные орудия используются там, где конструкция весьма консервативна (раннее американское оружие, южноафриканское ядерное оружие деления), или где присущие конструкции недостатки не являются проблемой (например, орудия для разрушения бункеров). Двуствольные орудия, вероятно, являются наиболее распространенным вариантом применения (например, в атомных артиллерийских снарядах).

Одноствольные артиллерийские системы.

Практический предел для простой пушечной сборки  (с использованием одной пушки) составляет чуть меньше 2 критических масс, исходя из следующего рассуждения: каждая деталь должна быть меньше 1 критической массы; если у нас две детали, то после их соединения их сумма должна быть меньше 2 критических масс. Если мы выдолбим сверхкритическую сборку, удалив кусок из центра, как огрызок яблока, мы уменьшим ее эффективную плотность.

Поскольку критическая масса системы обратно пропорциональна квадрату плотности, мы увеличили критическую массу оставшегося материала (который мы будем называть мишенью), одновременно уменьшив его фактическую массу.

Удалённый фрагмент (который мы назовём пулей) всё ещё должен быть немного меньше одной критической массы, поскольку он твёрдый. Используя эти рассуждения, принимая предельную массу пули равной одной полной критической массе и предполагая, что экономия нейтронов за счёт отражения одинакова для обоих фрагментов, получаем: M_c/((M – M_c)/M)^2 = M – M_c, где M — общая масса сборки, а M_c — стандартная критическая масса.

Решение этого кубического уравнения приблизительно равно M = 3,15 M_c. Другими словами, с помощью простой пушечной сборки мы можем получить сборку не более чем из 3,15 критических масс. Конечно, практическая система должна включать коэффициент безопасности и уменьшать это отношение до меньшего значения. Конструктор оружия, несомненно, окружит целевую сборку очень хорошим нейтронным отражателем. Пуля не будет окружена этим отражателем до тех пор, пока не будет выпущена в цель, поскольку ее эффективный предел критической массы выше, что позволяет получить более крупную конечную сборку, чем рассчитанные выше 3,15 M_c.

Изучив таблицы критической массы U-235 для различных кандидатов в отражатели, мы можем оценить достижимые отношения критической массы, учитывая дифференциальную эффективность отражателей. Стальной ствол орудия является довольно хорошим отражателем нейтронов, но он будет тоньше и менее эффективен, чем отражатель мишени. Масса M_c для U-235 (обогащение 93,5%), отраженная 10,16 см карбида вольфрама (материал отражателя, использованный в Little Boy), составляет 16,5 кг, а при отражении 5,08 см железа — 29,3 кг (стальной ствол орудия Little Boy имел среднюю толщину 6 см).

Это соотношение равно 1,78 и, вероятно, близко к достижимому пределу (бериллиевый отражатель может довести его до 2). Получаем: M_c/((M – (1,78 M_c))/M)^2 = M – (1,78 M_c), решение которого равно M = 4,51 M_c. Если для бериллия используется критическое соотношение масс, равное 2, то M = 4,88 M_c.

Это устанавливает верхний предел характеристик простых орудийных систем. Дополнительное улучшение может быть достигнуто за счет добавления в систему поглотителей быстрых нейтронов, либо природного бора, либо бора, обогащенного изотопом B-10. Борсодержащий поддон (воротник) вокруг пули подавит эффект отражения нейтронов от ствола, а борсодержащая вставка в мишени будет поглощать нейтроны внутри, тем самым повышая критическую массу.

В этом подходе система проектируется таким образом, что поддон извлекается из пули при её попадании в цель, а вставка выталкивается из цели пулей. По всей видимости, эта система использовалась в оружии «Малыш».

Используя значение M_c для обогащенного на 93,5% U-235, отношение M/M_c для Little Boy составило (64 кг)/(16,5 кг) = 3,88, что находится в пределах допустимого значения 4,51 (без учета труднооцениваемых эффектов борсодержащих поглотителей). Таким образом, конструкция Little Boy разрабатывалась с учетом использования урана с обогащением >90%. Однако фактическая делящаяся нагрузка, использованная в оружии, была обогащена лишь на 80%, с соответствующей критической массой WC, равной 26,5 кг, что дает фактическое отношение 64/26,5 = 2,4.

Уравнение эффективности, зависящее от массы  показывает, что желательно собрать как можно больше критических масс. Применив это уравнение к реактору «Малыш» (и игнорируя ограничения уравнения в диапазоне очень низкого выхода), мы можем исследовать влияние изменения количества присутствующего делящегося материала:

1,05 80 кг

1,1 1,2 тонны

1,2 17 тонн

1,3 78 тонн

1,4 220 тонн

1,5 490 тонн

1,6 930 тонн

1,8 2,5 кт

2.0 5.2 кт

2.25 10.5 kt

2.40 15.0 kt МАЛЕНЬКИЙ МАЛЬЧИК

2,5 18,6 кт

2,75 29,6 кт

3.0 44 кт

3.1

Если бы содержание делящегося вещества было увеличено  всего на 25%, выход продукта утроился бы.
Взрывная эффективность «Малыш» составляла 0,23 кт/кг делящегося материала (1,3%), по сравнению с 2,8 кт/кг (16%) для «Толстяка» (оба показателя скорректированы с учетом вклада в выход продукта за счет быстрого деления). Использование 93,5% U-235 как минимум удвоило бы выход и эффективность «Малыш», но результат все равно остался бы неудовлетворительным по сравнению с выходом, достижимым при использовании имплозии и того же количества делящегося материала.

________________________________

Методы цилиндрических и плоских ударных волн.

Цилиндрические и плоские ударные волны  могут быть сгенерированы с использованием описанных ранее методов, с учетом различий в геометрии. Цилиндрическую ударную волну можно создать, используя двумерный аналог взрывной линзы — клиновидную линзу с тем же поперечным сечением, что и коническая версия. Плоская ударная волна — это просто ударная волна с нулевой кривизной. Для полного цилиндрического имплозии потребуется несколько параллельных клиновидных взрывных линз, расположенных вокруг оси цилиндра, образуя звездообразную форму.
Чтобы имплозия стала действительно цилиндрической (в отличие от конической), необходимо одновременно детонировать каждую из этих линз по всей вершине клина. Этого можно добиться, используя линзу, изготовленную из листов взрывчатого вещества (поддержанную подходящей основой), для создания плоской ударной волны. Край этой листовой линзы будет соединяться с вершиной клина.

Эта пластинчатая линза не обязательно должна простираться радиально; она может соединяться под углом, складываясь в пространство между вершинами звезды. Также существуют специальные методы, основанные на специфических характеристиках одномерной и двумерной геометрии. Основной принцип этих методов — «линейный заряд летающей пластины», показанный ниже.

Металлическая пластина покрыта с одной стороны  листом взрывчатки. Взрыв происходит на одном из краев, и детонационная волна распространяется по пластине. При этом детонация ускоряет пластину, толкая ее вправо. После полного взрыва летящая пластина снова становится плоской.
Угол между исходной неподвижной пластиной и летящей пластиной определяется соотношением скорости детонации и скорости ускоренной пластины. Когда эта высокоскоростная пластина ударяется о вторичный заряд взрывчатки, ударная волна детонирует его, создавая плоскую детонацию.
Как описано выше, система работает не совсем корректно. Один детонатор фактически создаст круговой фронт детонации в листе взрывчатки, расширяющийся от точки инициирования. Этого можно избежать, сначала используя длинную узкую летящую пластину (своеобразную летающую полосу) для детонации края широкой пластины.

Затем эту широкую пластину можно использовать для инициирования плоскостного детонирования. Метод летающей полосы также можно использовать для детонации описанной выше цилиндрической линзовой системы вместо листовой линзы. Схему летающей пластины можно легко расширить для создания цилиндрических детонаций.

Это поперечный разрез  полого усеченного конуса, покрытого слоем взрывчатого вещества. Широкий конец конуса соединен с листом взрывчатого вещества, в центре которого находится детонатор.
Единственный детонатор, расположенный на оси, вызывает расширяющуюся круговую детонацию во взрывчатом листе. Когда ударная волна достигает периметра, она продолжает распространяться вдоль поверхности конуса. Конус разрушается, начиная с широкого конца. Угол конуса таков, что образуется цилиндрическая летящая пластина, которая инициирует цилиндрическую детонацию во вторичном взрывчатом веществе.

Системы с летающими пластинами гораздо проще в разработке, чем взрывные линзы. Приборы для наблюдения за их поведением относительно просты. Несколько контактных штифтов и осциллограф позволяют легко измерять движение пластины, а хорошо зарекомендовавшая себя искровая фотосъемка позволяет эффективно получать изображения пластины.

_______________________________

Взрывчатые вещества.

Выбор взрывчатых веществ в системе имплозии  обусловлен стремлением к высокой эффективности, безопасности, простоте изготовления, а иногда и особыми свойствами, такими как низкая скорость детонации, необходимая для взрывных линз. Стремление к высокой эффективности приводит к выбору очень мощных взрывчатых веществ, обладающих очень высокой скоростью и давлением детонации (эти три фактора тесно взаимосвязаны).

Наиболее эффективным из широко известных взрывчатых веществ является HMX. Использование HMX в качестве основного взрывчатого вещества обеспечивает наибольшее сжатие. HMX широко использовался в американском оружии с конца 1950-х годов до 1970-х годов, часто в формуле под названием PBX-9404 (хотя эта конкретная формула оказалась особенно опасной – за шесть месяцев 1959 года среди персонала, занимавшегося изготовлением взрывчатого вещества, погибло восемь человек).

Известно, что HMX является основным взрывчатым веществом во многих советских образцах оружия, поскольку Россия продает взрывчатку, извлеченную из списанных боеголовок, для коммерческого использования. Химически родственный RDX занимает второе место по мощности. Это было основное взрывчатое вещество, использовавшееся в большинстве ранних американских образцов, в виде литьевой смеси, называемой Состав B.

В последние годы США все больше обеспокоены безопасностью оружия после ряда громких аварий, в которых детонация взрывчатых веществ привела к широкомасштабному загрязнению плутонием, а также в связи с неоднократными смертельными взрывами во время производства. Многие из используемых высокоэнергетических взрывчатых веществ, такие как RDX и HMX, довольно чувствительны к ударам и нагреву.

Обычно для детонации таких взрывчатых веществ требуется удар со скоростью порядка 100 футов/сек, но если происходит скользящий или создающий трение удар, то взрывчатка может быть приведена в действие ударом со скоростью всего 10 футов/сек (для этого достаточно падения с высоты всего 18 дюймов)! Это привело к использованию взрывчатых веществ, нечувствительных к ударам и огню. Все нечувствительные взрывчатые вещества основаны на TATB, химический аналог DATB не обладает этой выраженной нечувствительностью. Эти взрывчатые вещества обладают очень необычными свойствами скорости реакции, что делает их чрезвычайно нечувствительными к ударам, сотрясениям или теплу.

TATB обладает достаточно высокой мощностью , лишь немного уступая Comp B. Была разработана композиция PBX-9504, в которую добавлено 15% HMX к смеси TATB, что представляет собой компромисс между повышенной мощностью и повышенной чувствительностью. Другое очень мощное взрывчатое вещество, ПЭТН, из-за своей чувствительности практически не использовалось (или вообще не использовалось) в качестве основного взрывчатого вещества в ядерном оружии, хотя и применялось в детонаторах.

Изготовление взрывчатых веществ для систем имплозии — сложная задача, требующая строгого контроля качества. Многие компоненты взрывчатых веществ имеют сложную форму, большинство из них требуют жестких допусков по размерам, и все они должны быть изготовлены с высокой степенью однородности. Отклонения скорости не могут превышать нескольких процентов. Достижение такой однородности означает тщательный контроль таких факторов, как состав, чистота, размер частиц, кристаллическая структура, время и температура отверждения .

Литье было первым методом, использованным для изготовления компонентов имплозионных взрывчатых веществ, поскольку позволяет получать очень однородные изделия довольно сложной формы. К сожалению, наиболее востребованные взрывчатые вещества не плавятся, что делает литье чистого взрывчатого вещества невозможным. Первоначальным решением этой проблемы в США стало использование литьевых смесей желаемого взрывчатого вещества и тротила.
Тротил является естественным выбором, поскольку это единственное доступное достаточно мощное и легко плавящееся взрывчатое вещество. Состав B, первое использованное взрывчатое вещество, обычно состоял из 63% RDX, 36% тротила и 1% воска (позже использовалась смесь циклотола с более высоким содержанием RDX по отношению к тротилу). Необходимо проявлять особую осторожность, чтобы обеспечить однородность суспензии твердого взрывчатого вещества и расплавленного тротила, поскольку происходит осаждение.

Необходимо уделять значительное внимание контролю размера частиц твердого взрывчатого вещества, а также мониторингу процессов литья, охлаждения и отверждения. Изготовление форм также является сложной задачей, требующей значительных экспериментов в Лос-Аламосе, прежде чем можно будет изготовить приемлемый продукт. Прессование — традиционный способ производства взрывчатых веществ, но его неспособность создавать сложные формы, а также проблемы с колебаниями плотности и пустотами препятствовали его использованию во время Второй мировой войны.

Пластичные взрывчатые вещества (то есть мягкие, податливые взрывчатые вещества) довольно легко прессуются в однородные сложные формы, но их недостаточная прочность делает их непривлекательными для практического применения в оружии. В сороковые и пятидесятые годы достижения в области полимерных технологий привели к созданию ПБХ (пластичных взрывчатых веществ).

В этих взрывчатых веществах используется полимерное связующее, которое затвердевает во время или после изготовления, образуя жесткую массу. Первый PBX был разработан в Лос-Аламосе в 1947 году; это была композиция RDX-полистирол, позже получившая обозначение PBX 9205. В некоторых ранних работах использовались эпоксидные связующие, которые затвердевают после изготовления в результате химических реакций, но современные пластиковые связующие представляют собой термореактивные смолы (возможно, в сочетании с пластификатором). Гранулы взрывчатого вещества покрываются пластиковым связующим и формуются путем прессования, обычно с последующей механической обработкой заготовки.

Стремление к максимальной взрывной энергии привело к выбору полимеров и пластификаторов, активно участвующих во взрыве, высвобождающих энергию посредством химических реакций. Акцент на этом привел к нежелательным побочным эффектам, таким как сенсибилизация основного взрывчатого вещества (как это произошло с PBX-9404) или низкая стабильность.

В 1970-х годах боеголовка W-68, составлявшая значительную часть боеголовок подводных лодок США, столкнулась с проблемами из-за разложения используемой боеголовки LX-09 PBX, что потребовало восстановления 3200 боеголовок. LX-09 также демонстрировала проблемы с чувствительностью, аналогичные PBX-9404; в 1977 году на заводе Pantex в Амарилло в результате взрыва заготовки LX-09 погибли три человека.

Обычно взрывчатое вещество и полимерное связующее обрабатываются вместе для образования гранулированного материала, называемого формовочным порошком. Этот порошок формуется методом горячего прессования – либо изостатическим (гидростатическим), либо гидравлическим прессом, с использованием проверенных форм (типичное давление составляет 1 мм).

Полученный материал может представлять собой конечный компонент, но обычно требуется дополнительная механическая обработка для достижения окончательных размеров. PBX содержат более высокую долю желаемого взрывчатого вещества, обладают большей структурной прочностью и не плавятся. Эти два последних свойства облегчают их механическую обработку до окончательных размеров. Пластическая склейка очень важна для нечувствительных к воздействию взрывчатых веществ (IHE), поскольку смешивание нечувствительных взрывчатых веществ с более чувствительным тротилом свело бы на нет цель их использования.

PBX впервые был применен в полномасштабном ядерном взрыве во время операции «Редвинг Блэкфут» в июне 1956 года. PBX заменили литьевые взрывчатые вещества во всех видах оружия США. В состав PBX, использовавшихся США, входят PBX-9404, PBX-9010, PBX-9011, PBX-9501, LX-04, LX-07, LX-09, LX-10, LX-11. Нечувствительными к взрывчатым веществам PBX являются PBX-9502 и LX-17.

_______________________________

Взрывчатые составы, использованные в ядерном оружии США

• Баратол: 76% нитрата бария, 24% тротила (типичное значение). Низкоскоростное литьевое взрывчатое вещество, использовавшееся в ранних взрывных линзах.
• Борацит: 60% борной кислоты, 40% тротила (типичное значение). Низкоскоростное литьевое взрывчатое вещество, используемое в более поздних конструкциях взрывных линз.
• Состав B: 63% RDX, 36% тротил, 1% воск (типичный). Высокоскоростное литьевое основное взрывчатое вещество, использовавшееся в ранних ядерных вооружениях
  (например, Fat Man; Mks 4, 5 и 6), а также в MK 28 и MK 53 (последняя боеголовка
  до сих пор находится на вооружении).
• Циклотол: 75% RDX, 25% TNT. Высокоскоростное литьевое основное взрывчатое вещество, по сути, это Comp B с
  более высоким содержанием RDX для повышения эффективности. Используется в MK 28 и MK-53
  (последняя боеголовка до сих пор находится на вооружении). Заменил PBX-9404, когда
  возникли неприемлемые проблемы с чувствительностью.
• LX-04: 85% HMX, 15% Viton AH – высокоскоростное основное взрывчатое вещество PBX. Используется в W-62 и W-70.
• LX-07: 90% HMX, 10% Viton AH – высокоскоростное основное взрывчатое вещество PBX. Использовалось в W-71.
• LX-09: 93% HMX, 4,6% pDNPA, 2,4% FEFOH. Высокоскоростной PBX. Основное взрывчатое вещество, использовавшееся в боевой части W-68. Выведено
  из эксплуатации из-за проблем, связанных со старением (выделение связующего вещества/пластификатора). Серьезные
  проблемы с безопасностью.
• LX-10: 95% HMX, 5% Viton A; и LX-10-1: 94,5% HMX, 5,5% Viton A. Высокоскоростное основное взрывчатое вещество PBX. Заменило LX-09 в W-68. Также использовалось в
  W-70, W-79 и W-82.
• LX-11: 80% HMX, 20% Viton AH – высокоскоростное основное взрывчатое вещество PBX. Использовалось в W-71.
• LX-17: 92,5% TATB, 7,5% Kel-F 800. Высокоскоростная нечувствительная PBX. Одна из двух используемых IHE. Применялась в B-83,
  W-84, W-87 и W-89. Мониторинг запасов боеголовки W87 показывает
  некоторые признаки затвердевания с течением времени, возможно, из-за увеличения кристалличности
  связующего вещества.
• PBX-9010: 90% RDX, 10% Kel-F. Высокоскоростное основное взрывчатое вещество PBX. Используется в MK 43 и W-50.
• PBX-9011: 90% HMX, 10% Estane. Высокоскоростное основное взрывчатое вещество PBX. Используется в модификациях MK 57 Mods 1 и 2.
• PBX-9404: 94% HMX, 3% NC, 3% CEF. Высокоскоростное основное взрывчатое вещество PBX. Широко используется в MK 43; W-48; W-50;
  W-55; W-56; MK 57 Mod 2; MK/B 61 Mods 0, 1, 2, 5; и W-69. Имеет серьезные
  проблемы с безопасностью.
• PBX-9501: 95% HMX, 2,5% Estane, 2,5% BDNPA-F. Высокоскоростное основное взрывчатое вещество PBX. Используется в W-76, W-78 и W-88.
• PBX-9502: 95% TATB, 5% Kel-F. Высокоскоростной нечувствительный PBX. Основной высокоэнергетический взрывчатый элемент в последних американских
  образцах оружия, в настоящее время устанавливается на более ранние боеголовки для замены других
  взрывчатых веществ с пластиковым соединением. Используется в B-61 Mods 3, 4, 6-10; W-61; W-80;
  W-85; W-90; и W-91.
• Плюмбатол: 70% нитрата свинца, 30% тротила (типичное содержание). Использование этого низкоскоростного литьевого взрывчатого вещества в ядерном оружии США
  носит предположительный характер.

Взрывчатые вещества и связующие компоненты, используемые в ядерном оружии США.

• Нитрат бария: окислитель из тяжелых металлов, используемый в медленнодействующей взрывчатой ​​смеси баратол.
• BDNPA-F: Жидкая смесь полимера и пластификатора, используемая в композициях PBX. 50% бис(2,2-динитропропил), 50% ацеталь/бис(2,2-динитропропил)формаль (пластификатор).
• Борная кислота: инертный материал с низкой плотностью и низким атомным номером, используемый в медленно взрывающихся смесях на основе борацита.
• ЦЕФ: Пластификатор, используемый в смесях ПБХ. Трис-бета-хлорэтилфосфат.
• DATB: Основное сильнодействующее взрывчатое вещество, нечувствительное к воздействию. 2,4,6-тринитро-1,3-бензендиамин; также называется DATNB, диаминотринитробензол.
• ДНПА (пДНПА): Твердое взрывчатое вещество, используемое в связующей смеси. 2,2-динитропропилакрилат.
• ФЭФО: Жидкое взрывчатое вещество, используемое в связующей смеси. 1,1-[метиленбис(окси)]-бис-[2-фтор-2,2-динитроэтан].
• HMX: Основное сильнодействующее взрывчатое вещество, очень мощное. Октагидро-1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетразоцин; также называется бета-HMX, октоген, циклотетраметилентетранитрамин (HMX — кодовое название времен Второй мировой войны, от His Majesty's eXplotive). Материал двойного назначения, экспорт ограничен.
• HNS: Относительно нечувствительное, очень термостойкое взрывчатое вещество, используемое в детонаторах типа «хлопушка». 1,1′-(1,2-этилендиил) бис-(2,4,6-тринитробензол); также называется гексанитростильбеном. Материал двойного назначения, экспорт ограничен.
• Кел-Ф: инертное пластиковое связующее. Сополимер, состоящий из хлортрифторэтилена и винилидинфторида (соотношение 3:1).
• Нитрат свинца — окислитель из тяжелых металлов, используемый в медленнодействующей взрывчатой ​​смеси плюмбата.
• НК: Твердое взрывчатое вещество, используемое в качестве связующего вещества для пластмасс. Нитроцеллюлоза.
• ПЭТН: Чувствительное, мощное взрывчатое вещество, используемое в детонаторах. 2,2-бис[(нитрокси)метил]-1,3-пропандиол динитрат; также называется тетранитратом пентаэритрита.
• RDX: Основное мощное взрывчатое вещество. Гексагидро-1,3,5-тринитро-1,3,5-триазин; также называется циклонитом, гексогеном. Материал двойного назначения, экспорт ограничен.
• TATB: Основное взрывчатое вещество, очень нечувствительное к внешним воздействиям и термостойкое. Специальный мелкозернистый TATB используется в ускорителях. 2,4,6-тринитро-1,3,5-бензендиамин; также называется TATNB,
  триаминотринитробензол. Материал двойного назначения, экспорт ограничен. Производится в промышленных масштабах в США по цене от 90 до 250 долларов за кг. В настоящее время доступен клиентам за пределами Министерства энергетики США примерно по 200 долларов за кг.
• Тротил (ТНТ): основное взрывчатое вещество, используемое в качестве плавкого связующего. 2-метил-1,3,5-тринитробензол; также называется тринитротолуолом.
• Витон А: Резинообразное твердое вещество, используемое в качестве связующего для пластмасс. Сополимер, состоящий из 60% винилидинфторида и 40% гексафторпропилена.

__________________________________

 Основные свойства взрывчатых веществ, используемых в ядерном оружии США.

Чувствительность к плотности взрывной детонации

               СКОРОСТЬ ДАВЛЕНИЕ

                м/сек килобар

HMX 9110 390 1.89/прессованный Умеренный

LX-10 8820 375 1.86/прессованный Умеренный

LX-09 8810 377 1.84/прессованный Умеренный

PBX-9404 8800 375 1.84/прессованный Умеренный

RDX 8700 338 1.77/прессованный Умеренный

ПЭТН 8260 335 1.76/прессованный Высокий

Циклотол 8035 – 1,71/каратное масло, низкое качество

Comp B 63/36 7920 295 1.72/cast Low

TATB 7760 291 1.88/прессованный Очень низкий

PBX-9502 7720 – 1.90/нажатие Очень низкая цена

DATB 7520 259 1.79/прессованный Низкий

HNS 7000 200 1.70/прессованный Низкий

TNT 6640 210 1.56/cast Low

Баратол 76/24 4870 140 2.55/каратный Умеренный

Борацитол 60/40 4860 – 1,55/каратное масло Низкое

Плюмбатол 70/30 4850 – 2,89/каратное масло. Умеренный.

_________________________________

Проекты сплошных котлованов

Поскольку ударные волны по своей природе сжимают  материал, через который проходят, очевидный способ использования имплозионной волны — это просто позволить ей пройти через делящееся ядро, сжимая его по мере сходимости к центру. Этот метод может (и уже применялся) успешно, но он имеет некоторые присущие ему проблемы, не все из которых можно устранить.
Во-первых, детонационное давление имеющихся взрывчатых веществ (предел 400 килобар) недостаточно велико для значительного сжатия. При таком давлении в уране можно добиться лишь 25% увеличения плотности, тогда как в плутонии дельта-фазы это увеличение может достигать 50% из-за низкотемпературного фазового перехода дельта->альфа. Это давление можно увеличить двумя способами: путем отражения ударной волны на границах раздела с высоким импедансом и путем сходимости.

Поскольку делящийся материал примерно на порядок плотнее самого взрывчатого вещества, первое явление, безусловно, будет происходить в некоторой степени. Его можно усилить, поместив один или несколько слоев материалов с возрастающей плотностью между взрывчатым веществом и плотным трамбовочным и делящимся материалом в центре. В качестве предела ударное давление может удвоиться при отражении от границы раздела. Для приближения к этому пределу увеличение плотности должно быть значительным, а это означает, что можно использовать не более 2 или 3 промежуточных слоев.

Второе явление, конвергенция ударной волны, ограничивается отношением радиуса делящегося ядра к внешнему радиусу имплозионной конструкции. Интенсификация приблизительно пропорциональна этому отношению. Таким образом, большая интенсификация подразумевает систему большого диаметра, которая является громоздкой и тяжелой.

Ещё одна проблема конструкции сплошного колодца заключается в наличии волны Тейлора — резкого падения давления с увеличением расстояния за фронтом детонации. Это создаёт профиль ударной волны в виде рампы: внезапный скачок к пиковому давлению ударной волны, за которым следует спад до нулевого давления на небольшом расстоянии за фронтом ударной волны.

Сближение ударной волны фактически увеличивает крутизну волны Тейлора, поскольку фронт усиливается за счет сближения в большей степени, чем материал за фронтом (который находится на большем радиусе). Если волна Тейлора не подавляется, то к моменту достижения ударной волной центра делящейся массы внешние участки могут уже вернуться к своей первоначальной плотности.

Использование промежуточных слоев «толкающих» слоев между взрывчатым веществом и тампером помогает подавить или сгладить волну Тейлора. Отраженный удар высокого давления усиливает давление за фронтом ударной волны, так что вместо того, чтобы снижаться до нулевого давления, оно снижается до давления, равного скачку давления на отражающей границе. То есть, если P — начальное давление ударной волны, и P -> 0 указывает на падение от P до нуля через волну Тейлора, то отражение усиливает оба значения в соотношении p:(P + p) -> (0 + p).

Конструкция Gadget/Fat Man имела промежуточный алюминиевый толкатель между взрывчатым веществом и урановым тампером и обладала коэффициентом сходимости около 5. В качестве приблизительной оценки можно заключить, что давление 300 килобар состава B могло быть увеличено в 4 раза за счет отражения ударной волны (удвоение на границе HE/Al и Al/U) и в 5 раз за счет сходимости, что привело к ударному давлению в 6 мегабар в плутониевом ядре.

Предполагая, что уравнение состояния альфа-фазы плутония аналогично урановому, это приводит к сжатию чуть менее чем в 2 раза, что в сочетании с фазовым переходом из дельта-фазы в альфа-фазу дает максимальное увеличение плотности примерно в 2,5 раза. Эффективное сжатие могло быть значительно меньше, но в целом оно согласуется с наблюдаемым выходом устройств.

_______________________________

Конструкции с левитирующим ядром

В конструкции с сплошным сердечником волна Тейлора уменьшается, но не устраняется полностью. Кроме того, кинетическая энергия, передаваемая сходящимся ударным фронтом, используется неэффективно. Было бы предпочтительнее добиться равномерного сжатия по всему делящемуся сердечнику и трамбовке, а также иметь возможность использовать всю кинетическую энергию для сжатия материала (остановив движение материала внутрь сердечника в момент максимального сжатия).
Этого можно достичь, используя оболочку или полый сердечник вместо сплошного (см. раздел 3.7.4 «Схлопывающиеся оболочки»). Оболочка обычно состоит из внешнего слоя трамбовочного материала и внутреннего слоя делящегося материала. Когда волна имплозии достигает внутренней поверхности оболочки, давление падает до нуля, и создается волна разгрузки.
Сжатый ударным фронтом материал (который также был ускорен внутрь) расширяется внутрь до нулевого давления, преобразуя энергию сжатия в еще большее движение внутрь (приблизительно удваивая его). Таким образом, минимизируются потери энергии за счет расширения материала в области волн Тейлора.

Простое полное схлопывание этой быстро разрушающейся полой оболочки позволило бы добиться существенного сжатия. На практике этого никогда не делают. Эффективнее позволить разрушающейся оболочке столкнуться с неподвижным телом в центре («левитирующим ядром»), при этом столкновение создаст две ударные волны – одна будет двигаться внутрь к центру неподвижного левитирующего ядра (ускоряя его внутрь), а другая – наружу через разрушающуюся оболочку (замедляя его).

Давление между этими двумя ударными волнами изначально постоянно, так что, когда сходящаяся ударная волна достигает центра ядра, область, простирающаяся от центра до места расширения ударной волны, достигает достаточно равномерного и эффективного сжатия.
Я использую слово «достаточно», потому что картина несколько сложнее, чем только что описано. Во-первых, к моменту удара оболочки о левитирующее ядро ​​она приобретает характер толстой разрушающейся оболочки. Внутренняя поверхность будет двигаться быстрее, чем внешняя, и область, расположенная близко к внутренней поверхности, будет несколько сжата. Во-вторых, движущиеся внутрь и наружу ударные волны движутся не с постоянной скоростью.

Внутренне движущаяся ударная волна  представляет собой классическую сходящуюся ударную волну со скоростью, которая ускоряется и усиливается по всей длине до центра. Внешне движущаяся ударная волна представляет собой расходящуюся или расширяющуюся ударную волну, которая замедляется и ослабевает.

В классической области сходящейся ударной волны (левитирующее ядро ​​и самый внутренний слой сталкивающейся оболочки) достигается высокое сжатие, и материал останавливается, когда ударная волна достигает центра. Во внешней расходящейся области теряется лишь около половины скорости имплозии, когда расходящаяся ударная волна сжимает и замедляет её, и времени для остановки потока внутрь до того, как сходящаяся ударная волна достигнет центра, недостаточно.

Таким образом, внешняя область продолжает сжиматься (медленно), когда внутренний ударный фронт достигает полной конвергенции (при условии, что внешний ударный фронт еще не достиг поверхности ямки (оболочки трамбовки плюс сердечника) и не инициировал волну высвобождения, движущуюся внутрь).

Сразу после того, как сходящаяся ударная волна достигает центра, начинается отскок ударной волны. Это движущаяся наружу ударная волна, которая ускоряет вещество от центра, создавая расширяющуюся область низкой плотности, окруженную слоем, сжатым еще сильнее, чем при первоначальном схлопывании. Как только ударная волна расширяется до заданного радиуса, средняя плотность объема внутри этого радиуса быстро падает.

Для радиуса, значительно выходящего за пределы классической области сходящейся ударной волны, истинная средняя плотность может продолжать увеличиваться из-за продолжающегося коллапса внешних областей до тех пор, пока не достигнет ударной волны отскока. Структура системы оболочка/ядро в момент прибытия ударной волны отскока фактически полая – область низкой плотности в центре с сильно сжатой оболочкой, но средняя плотность достигает максимума.

Допустимость такой конфигурации  зависит от конструкции оружия: она может быть приемлема в однородном неускоренном ядре, но будет неприемлема в ускоренном или композитном ядре, где желательна высокая плотность в центре.

Поскольку расходимость внешнего ударного фронта невелика и частично компенсируется меньшей скоростью коллапса внешней поверхности толстой оболочки, мы можем приблизительно рассматривать его как ударный фронт с постоянной скоростью, проходящий через ударную оболочку. Сходящийся ударный фронт можно описать с помощью классической модели (см. раздел 3.7.3 Сходящиеся ударные фронты). Это позволяет оценить минимальное отношение массы оболочки к массе левитирующего ядра для эффективного сжатия, случай, когда ударный фронт достигает поверхности оболочки, и центр одновременно.

______________________________

Если оболочка и левитирующее ядро ​​имеют одинаковую  плотность и сжимаемость, то оба ударных фронта будут иметь одинаковую начальную скорость (изменение скорости за фронтом ударного фронта в обоих случаях будет ровно равно половине скорости удара). Если толщина оболочки равна r_shell, то ударный фронт пройдет через оболочку за время:

     t_shell = r_shell/v

Если радиус левитирующего ядра равен r_lcore, ударная волна достигнет центра за определенное время:

     t_lcore = (r_lcore/v)*alpha

В данном случае альфа — это параметр масштабирования сходящегося ударного фронта (см. раздел 3.7.3). Для сферической имплозии и гамма, равной 3 (приблизительно верно для большинства конденсированных сред, и особенно для урана и плутония), альфа равна 0,638 (точное значение будет несколько выше).
Поскольку мы хотим, чтобы t_shell = t_lcore:

Уравнение 4.1.6.2.3.2-3

     r_shell = alpha * r_lcore = 0.638 r_lcore

То есть толщина оболочки меньше радиуса ядра в 0,638 раза. Но поскольку объем пропорционален кубу радиуса:

    m_shell = density*(4*Pi/3)*[(r_shell + r_lcore)^3 – r_lcore^3]

и

    m_lcore = плотность*(4*Pi/3)*r_lcore^3

Это позволяет нам определить соотношение масс:

     m_shell/m_lcore = ((1,638)^3 – 1^3)/1^3 = 3,4

___________________________________

Таким образом, нам нужно, чтобы масса ударной оболочки  была как минимум в 3,4 раза больше массы левитирующего ядра. Используемое соотношение может быть значительно больше.

Важно понимать, что в принципе соотношение массы оболочки и левитирующего ядра не связано с соотношением массы тамперного и делящегося материалов. Граница между тамперным и делящимся материалами может располагаться в оболочке (т.е. оболочка частично состоит из тамперного и частично из делящегося материала, а левитирующее ядро ​​полностью делится), между оболочкой и ядром (т.е. оболочка состоит из тамперного, а ядро ​​делится), или в ядре (т.е. оболочка состоит из тамперного, а ядро ​​частично из тамперного и частично из делящегося материала). Соотношение массы тамперного и делящегося материалов определяется законом сохранения нейтронов, гидродинамическим удержанием и соображениями критической массы.Однако, судя по всему, первоначальная практика США (начиная с конструкции Mk4 и серии испытаний в Сэндстоуне) заключалась в проектировании оружия с левитирующим сердечником таким образом, чтобы оболочка представляла собой урановый тампер, а левитирующая часть — твердое делящееся ядро. Масса тампера была бы аналогична массе, использованной в Gadget (115 кг), что позволяло использовать ядра различных размеров и составов, обеспечивая при этом достаточную массу ведущего элемента.

Эти первые бомбы, использующие только деление ядра,  были разработаны для получения бомб с различной мощностью взрыва, а также для изменения состава (соотношение U-235/Pu-239) в соответствии с фактическими графиками производства этих материалов.

Левитация достигается за счет наличия некой опорной конструкции, которая не нарушает симметрию имплозии. Наиболее распространенный подход, по-видимому, заключается в использовании усеченных полых конусов (или, если хотите, конически сужающихся тонкостенных трубок), обычно изготовленных из алюминия. Используется шесть таких конусов, попарно расположенных по противоположным сторонам левитирующего ядра для каждой оси движения. Также использовались поддерживающие тросы (предположительно, под натяжением).

В конструкции устройства «Ураган» (первое британское испытание) для поддержки использовались «шипы» (вероятно, шесть штук). Шипы — это четырехзубчатое устройство, первоначально использовавшееся в Средние века в качестве препятствия против солдат и лошадей, а в последнее время — против автомобильных шин.
Каждый из зубцов можно рассматривать как вершину тетраэдра, а точка их соединения — как центр тетраэдра. Шипы обладают свойством, что независимо от того, как вы их уроните, три зубца образуют штатив, а четвертый зубец направлен прямо вверх. Углубления на корпусе могли использоваться для надежной фиксации опорных зубцов.

Другой вариант — использовать  прочный легкий пенопласт для заполнения зазора между оболочкой и сердечником (такие пенопласты производятся на заводе Allied-Signal в Канзас-Сити). Существенной проблемой при использовании пенопластовой опоры является то, что пластиковые пенопласты обычно являются отличными теплоизоляторами, что может вызвать серьезные проблемы из-за самонагрева в левитирующем плутониевом сердечнике.

Серьезной проблемой конструкций с полыми оболочками является растягивающее напряжение, создаваемое волной Тейлора (см. раздел 3.6.1.1.2 Волны высвобождения на свободной поверхности в твердых телах). По мере распространения волны высвобождения от внутренней поверхности оболочки она сталкивается с уменьшающимся давлением из-за волны Тейлора. Эффект «удвоения скорости» приводит к падению давления, равному по величине пиковому давлению ударной волны.

Если давление, с которым сталкивается волна взрыва, ниже этого значения, возникает отрицательное давление (натяжение) (можно представить это как более быстро движущуюся часть пластины, тянущую более медленно движущуюся часть). Это растягивающее напряжение накапливается по мере распространения волны взрыва. Если оно превышает прочность материала, он разрушается или «отслаивается». Это может привести к отслоению всего внутреннего слоя материала или просто к образованию пустоты. Новая волна взрыва начнет формироваться на поверхности отслоения.
Отслоение нарушает симметрию имплозии и может также испортить желаемое время столкновения. Именно опасения по поводу эффектов отслоения препятствовали использованию конструкций с левитирующим ядром в первых имплозионных бомбах.
Один из подходов к борьбе с отслоением  заключается в том, чтобы просто убедиться, что в конструкции не возникают чрезмерные растягивающие напряжения. Для этого требуются прочные материалы и, по крайней мере, одно из следующих условий:

1. относительно слабое давление имплозии;
2. сильно подавленная волна Тейлора; или
3. тонкие раковины.

Первый вариант крайне нежелателен,  но два последних могут быть использованы в жизнеспособных проектах.

Другой подход заключается в применении стратегии «если не можешь победить, присоединись». Вместо того чтобы пытаться предотвратить расслоение оболочки, в конструкцию закладывается возможность учета этого явления. Этого можно добиться, построив оболочку из отдельных слоев. Когда волна высвобождения достигает границы между слоями оболочки (и в этой точке возникает растягивающее напряжение), внутренний слой отрывается от внешнего, и начинается новая волна высвобождения. Это создаст серию схлопывающихся оболочек, разделенных зазорами.

По мере сближения каждого слоя оболочки к центру, внутренняя поверхность будет ускоряться, а внешняя — замедляться. Это будет способствовать сближению слоев. Если они не соединятся до удара о ядро, может возникнуть сложная система ударных волн. Возможности проектирования с использованием этих множественных ударных волн здесь рассматриваться не будут.

Концепция левитирующего ядра и сталкивающихся оболочек может быть расширена до многократной левитации — когда одна разрушающаяся оболочка сталкивается со второй, которая затем сталкивается с левитирующим ядром. Внешняя оболочка, благодаря концентрации импульса на своей внутренней поверхности и эффектам упругого столкновения, может увеличить скорость внутренней оболочки. Для практического применения этой идеи необходима система большого диаметра.

Вполне возможно, что разработанная в начале пятидесятых годов для 60-дюймовых фугасных снарядов, находившихся тогда на вооружении США, ловушка «типа D» (то есть, устройство, расположенное между взрывчатым веществом и делящимся сердечником) представляла собой именно такую ​​систему. Она значительно увеличивала мощность взрыва при использовании идентичных сердечников.

Практически наверняка самая эффективная из когда-либо испытанных бомб на чистом делении с килотонной дальностью — устройство «Гамлет», взорванное в Апшот-Кнотхол-Харри (19 мая 1953 г.) — использовала многократную левитацию. Её описывали как первое устройство с «полым сердечником», предположительно, с использованием делящегося ядра, которое само по себе представляло собой внешнюю оболочку, и внутреннего левитирующего ядра. В качестве сердечника использовалась бомбовая сборка TX-13D (60-дюймовая имплозионная система с использованием ямки типа D). Мощность взрыва составила 37 килотонн.

___________________________________

Тонкостенные (летающие пластинчатые) конструкции

Тонкостенные, или летающие пластинчатые конструкции , доводят идею полого сердечника до крайности. В таких конструкциях очень тонкая, но относительно большая по диаметру оболочка вдавливается внутрь с помощью системы имплозии. Как и в обычной конструкции с полым сердечником, используется левитирующий сердечник в центре.
Преимущества летающей пластинчатой ​​конструкции заключаются в значительном повышении эффективности использования энергии взрывчатого вещества; и более высокой скорости столкновения, что приводит к более быстрому введению и большему сжатию при заданном количестве взрывчатого вещества. Тонкостенные летающие пластинчатые конструкции в настоящее время являются стандартом в арсеналах ядерных держав.

Тонкая пластина, толщиной в несколько миллиметров, тоньше, чем волна Тейлора взрывной ударной волны. Ускорение ударной волны, за которым следует полное высвобождение, завершается до того, как волна Тейлора вызовет значительное падение давления. Таким образом, достигается максимальное начальное ускорение ударной волны.

Однако происходит еще большая передача энергии. Когда взрывная волна достигает границы раздела пластина/взрывчатое вещество (завершая расширение и удвоение скорости пластины), волна разрежения распространяется в газовых частицах взрывчатого вещества. Газы расширяются, преобразуя свою внутреннюю энергию в кинетическую, и создают новую (но более слабую) ударную волну в пластине.

Таким образом, развивается циклический процесс, в котором серия ударных волн уменьшающейся величины ускоряет пластину до все более высоких скоростей. Если смотреть с внутренней поверхности, наблюдатель увидит последовательность скачков скорости уменьшающегося размера и с увеличивающимися интервалами. Пластина продолжает ускоряться на расстоянии нескольких сантиметров.
Максимальная скорость, достижимая таким образом, может приближаться к скорости убегания взрывчатых газов, которая составляет 8,5 км/с для Comp B. Сообщалось о скоростях до 8 км/с при использовании взрывчатых веществ на основе HMX. Это можно сравнить со скоростью имплозии плутониевой ямы в конструкции Gadget/Fat Man, которая составляла около 2 км/с.

Оптимальная эффективность достигается при наличии небольшого зазора (несколько миллиметров), отделяющего взрывчатое вещество от пластины. Этот зазор, помимо прочего, снижает силу волны Тейлора. Зазор может представлять собой воздушное пространство, но обычно он заполняется материалом с низким импедансом (например, пластиком).

Соотношение масс взрывчатого вещества и пластины в значительной степени определяет эффективность системы. Для достижения приемлемой эффективности важно, чтобы соотношение r было не менее 1 (масса взрывчатого вещества/масса пластины). При r=1 около 30% химической энергии взрывчатого вещества передается пластине. Ниже r=1 эффективность быстро падает. Максимальная эффективность достигается при r=2, когда передается 35% энергии.

Поскольку более высокое соотношение масс означает  больше доступной энергии, фактическая конечная скорость и энергия пластины монотонно возрастают с ростом r, как показано в таблице ниже. Более высокие значения r также приводят к тому, что пластина приближается к своему предельному значению при несколько меньших расстояниях перемещения.

Эффективность привода летающей пластины
Соотношение массы пластины/теплового элемента (R)	Переданная доля энергии	Относительная скорость	Соотношение скорости пластины к скорости детонации
0,25	0,16	1.00	0,07
0,50	0,22	1.65	0,12
1.00	0.30	2.74	0.20
2.00	0,35	4.18	0.30
5.00	0.30	6.12	0,40
7.00	–	7.65	0,50
10.00	0,25	7.91	0,56
40.00	0.11	10.60	0,75

_________________________________

К моменту, когда летящая пластина сходится  с радиуса 10-20 см и сталкивается с левитирующим ядром, она уже не представляет собой тонкую оболочку. Разница скоростей, присущая схлопыванию толстой оболочки, приводит к тому, что скорость столкновения внутренней поверхности превышает среднюю скорость пластины. Сообщалось о скоростях столкновения экспериментальных урановых систем, достигающих 8,5 км/с.

Летающая пластина может использоваться различными способами. Она может представлять собой разрушающуюся оболочку левитирующего ядра. Или же она может использоваться в качестве движущей силы, которая сталкивается с оболочкой и передает ей энергию, после чего оболочка схлопывается на левитирующее ядро. Комбинированные системы защиты/отражателя. К моменту, когда летающая пластина сходится с радиуса 10-20 см и сталкивается с левитирующим ядром, она уже не является тонкой оболочкой.

Разница скоростей, присущая разрушению толстостенных оболочек, приводит к тому, что скорость столкновения внутренней поверхности превышает среднюю скорость движения пластины. Сообщалось о скоростях столкновения экспериментальных урановых систем, достигающих 8,5 км/с.

Сравнительный анализ материалов отражателей методом цилиндрической имплозии. Ниже приведен список материалов-кандидатов и их атомные плотности. Список включает шесть чистых элементов с самой высокой атомной плотностью (C – в двух аллотропных формах, Be, Ni, Co, Fe и Cu), а также ряд соединений, известных своими высокими атомными плотностями. Также показаны атомные плотности основных материалов для трамбовки.

Высокообогащенный уран (ВОУ) получают путем переработки природного урана с использованием методов изотопного разделения. Природный уран состоит из 99,2836% U-238, 0,7110% U-235 и 0,0054% U-234 (по массе). Процессы обогащения увеличивают долю легких изотопов (U-235 и U-234) по отношению к тяжелым (U-238). Таким образом, обогащенный уран содержит более высокий процент U-235 (и U-234), чем природный уран, но все три изотопа всегда присутствуют в значительных концентрациях.

Термин «окисленный уран» (ОУ) обычно относится к урану с содержанием U-235 20% и более. Уран, который, как известно, использовался в конструкциях ядерного оружия, имеет степень обогащения от 80 до 93,5%. В США уран с обогащением около 93,5% иногда называют Oralloy (сокращенно Oy) по историческим причинам (Oralloy, или Oak Ridge ALLOY, было кодовым названием оружейного ОУ времен Второй мировой войны). До половины американского арсенала ОУ имеет степень обогащения в диапазоне 20-80%. Этот материал, вероятно, используется в конструкциях термоядерного оружия.

Летающая пластина может использоваться различными способами. Она может представлять собой разрушающуюся оболочку левитирующего ядра. Или же она может использоваться в качестве привода, который сталкивается с оболочкой и передает ей энергию, после чего оболочка схлопывается на левитирующее ядро.

В обсуждении имплозии неявно предполагалась сферически симметричная имплозия, поскольку эта геометрия является самой простой, а также наиболее эффективной и широко используемой. Однако для переноса приведенного выше обсуждения на цилиндрическую геометрию необходимы некоторые изменения.

Необходимые изменения связаны с различиями в сходимости ударных волн в цилиндрической геометрии. При сходимости ударных волн происходит гораздо меньшая концентрация энергии, что приводит к меньшему увеличению давления при том же коэффициенте сходимости (относительный радиус/внутренний радиус). Таким образом, цилиндрическая система с твердым сердечником будет гораздо менее эффективна в создании высоких давлений и сжатий.

Для конструкции с левитирующим ядром необходимо пересчитать соотношение масс оболочки и левитирующего ядра. В данном случае подходящее значение альфа составляет 0,775, но объем увеличивается всего на r², поэтому:

     m_shell/m_lcore = ((1.775)^2 – 1^2)/1^2 = 2.15

___________________________________

Однако возможность создания цилиндрической имплозии  методами, которые не работают для сферических геометрических форм, заслуживает отдельного комментария. Описанные выше системы линейных зарядов в виде летающих пластин (4.1.6.2.2.4 Методы создания цилиндрических и плоских ударных волн) для инициирования ударных волн цилиндрической имплозии в сильнодействующих взрывчатых веществах могут быть использованы для непосредственного приведения в движение летающих пластин.

Подобная одноступенчатая система, вероятно, не сможет обеспечить столь же быстрое схлопывание, как двухступенчатая система, в которой первая пластина инициирует конвергентную детонацию, которая затем приводит в движение вторую летающую пластину. Однако одноступенчатая система будет проще в разработке и изготовлении, а также потенциально легче и компактнее.

Цилиндрические системы имплозии проще в разработке, чем сферические. В основном это объясняется тем, что их легче наблюдать. Во время имплозии обеспечивается осевой доступ к системе, что позволяет проводить фотосъемку, электронное наблюдение и измерения. Цилиндрические испытательные системы использовались для разработки технологии линз для имплозии в Лос-Аламосе, которая впоследствии была применена в конструкции сферической бомбы.

Плоская имплозия

Плоская имплозия внешне напоминает  метод сборки пушечного орудия — одно тело смещается навстречу другому для сборки. Однако физика процесса сборки совершенно иная: физическое введение заменено ударным сжатием. Процесс плоской имплозии примерно на два порядка быстрее, чем сборка пушечного орудия, и может использоваться с материалами с высоким нейтронным фоном (например, плутонием).

По аналогии со сферической и цилиндрической имплозией, естественным названием для этой техники может быть «линейная имплозия». Это название используется для другого подхода, обсуждаемого ниже в разделе «Гибридные методы сборки».

Большинство из приведенных выше замечаний об имплозии в некоторой степени по-прежнему актуальны, но некоторые идеи, такие как левитирующее ядро, имеют мало значения в этой геометрии. Плоская имплозия привлекательна там, где существует цилиндрическая система с жестким ограничением радиуса.

Линзы для ударных волн при плоской имплозии гораздо проще разработать, чем для других геометрических конфигураций. Линза для плоской волны используется сама по себе, а не как часть многолинзовой системы. Наблюдать и измерять плоский фронт ударной волны гораздо проще, чем изогнутые ударные волны в сходящихся системах. Наконец, плоские фронты ударных волн стабильны, в то время как сходящиеся — нет. Хотя они имеют тенденцию изгибаться по краям из-за потери энергии, плоские фронты ударных волн фактически имеют тенденцию выравниваться сами по себе, если возникают неровности.

Комплексные орудия.
Дополнительные улучшения характеристик артиллерийской системы возможны за счет сочетания имплозии с орудийной сборкой. Система имплозии в данном случае будет очень слабой – слой взрывчатого вещества, который схлопывает кольцо делящегося материала или плотный демпфер на сердечнике, собранном в орудии. Это позволит еще больше увеличить количество используемого делящегося материала и обеспечить умеренное повышение эффективности за счет небольших коэффициентов сжатия. Также возможно значительное увеличение скорости ввода снаряда, что может быть важно в тех случаях, когда источники нейтронов на поле боя могут вызывать преждевременное срабатывание (это может сделать данную технологию особенно привлекательной для применения в артиллерийских снарядах). Сообщается, что комплексные подходы к орудийным системам использовались в советских конструкциях артиллерийских снарядов.

Линейная имплозия.
В оружии с жесткими ограничениями по размерам (особенно радиусу) и массе (например, артиллерийских снарядах) может потребоваться какой-либо другой метод, помимо сборки орудия. Например, плутоний вообще нельзя использовать в орудиях, поэтому для артиллерийского снаряда с плутониевым топливом требуется другой подход.
Низкоплотную, несферическую, делящуюся массу можно сжать и деформировать в сверхкритическую конфигурацию с помощью взрывчатых веществ без использования простых симметричных конструкций имплозии. Метод линейной имплозии, разработанный в LLNL, по-видимому, достигает этого путем встраивания эллиптической или футбольной массы в цилиндр из взрывчатого вещества, который затем инициируется с каждого конца. Детонационная волна распространяется вдоль цилиндра, деформируя делящуюся массу в сферическую форму. Для разработки этого метода в качестве пригодного к применению может потребоваться множество экспериментов.
 
Три физических явления могут способствовать введению реактивности:

• Увеличение плотности происходит из-за схлопывания пустот в ядре;
• увеличение плотности в результате фазовых превращений (при использовании плутония в дельта-фазе); и
• уменьшение площади поверхности в результате деформации в сферу (или приблизительно сферу).

Поскольку давление, генерируемое детонацией, является переходным и воздействует на разные части массы в разное время, сжатия до плотности, превышающей нормальную, не происходит. В таком случае введение реактивности, вероятно, будет довольно небольшим, а эффективность оружия — довольно низкой (что можно компенсировать за счет повышения мощности). Использование метастабильных дельта-фазовых сплавов плутония особенно привлекательно в этом типе конструкции. Достаточно довольно слабого импульса, чтобы необратимо перевести его в альфа-фазу, что приводит к увеличению плотности на 23%.

Сверхкритическая масса, образующаяся в результате линейной имплозии, стабильна – она не распадается и не расширяется после завершения имплозии. Это снимает необходимость в модулированном нейтронном инициаторе, поскольку детонацию может обеспечить спонтанное деление (или калиброванный непрерывный источник нейтронов). При желании, несомненно, можно использовать инициатор низкой интенсивности типа полония/бериллия.

В данной конструкции могут быть полезны специальные схемы инициирования, например, ежегодное инициирование, при котором цилиндр с взрывчатым веществом инициируется вдоль обода каждого конца для создания сходящейся ударной волны, распространяющейся вверх по цилиндру.

Принципы проектирования ядерных систем.
Проектирование ядерных систем ядерного оружия деления естественным образом делится на несколько областей: делящиеся материалы, состав активной зоны, отражатели, устройства защиты от детонации и методы инициирования нейтронами.

В сообществе, занимающемся разработкой ядерного оружия, различают понятия «делящийся» и «делящийся». Делящийся материал — это материал, который может быть подвергнут делению нейтронами определенной энергии — быстрыми или медленными. Такие материалы всегда имеют достаточно высокие средние сечения для нейтронов спектра деления, представляющих интерес для взрывных устройств, работающих на основе деления. Делящийся материал просто означает, что он может быть подвергнут делению нейтронами достаточно высокой энергии. Например, U-235 является делящимся, а U-238 — только делящимся .

Для создания ядерных взрывчатых веществ доступны три основных делящихся изотопа: U-235, Pu-239 и U-233. Существуют и другие делящиеся изотопы, которые в принципе можно использовать, но различные факторы (такие как стоимость, период полураспада или размер критической массы) не позволяют рассматривать их в качестве серьезных кандидатов. Конечно, ни один из упомянутых выше делящихся изотопов фактически не доступен в чистом виде. Все реальные делящиеся материалы представляют собой смесь различных изотопов, и соотношение различных изотопов может иметь важные последствия при проектировании оружия.

Для производства высокообогащенного урана (ВОУ) фактически использовались следующие методы: газовая диффузия, газовые центрифуги, электромагнитное обогащение (калутроны) и аэродинамическое (сопловое/вихревое) обогащение. Использовались и другие процессы обогащения, некоторые даже в рамках общей системы обогащения, позволяющей получать ВОУ оружейного качества, но ни один из них не подходит для производства высокообогащенного продукта. Первоначальный процесс производства ВОУ, использованный в Манхэттенском проекте, основывался на калутронах, которые были сняты с производства в конце 1946 года. С тех пор доминирующим процессом производства ВОУ во всем мире стала газовая диффузия. Подавляющее большинство произведенного на сегодняшний день ВОУ, и почти весь, использованный в оружии, был получен методом газовой диффузии. Хотя этот метод значительно более энергоэффективен, единственными странами, которые построили или использовали установки по производству ВОУ с использованием газовых центрифуг, были Советский Союз, Пакистан и Великобритания. Производство в Пакистане было очень небольшим, а Великобритания, по-видимому, никогда не эксплуатировала свои установки по производству ВОУ.

Высокое обогащение важно для снижения требуемой критической массы оружия и для повышения максимального альфа-уронового потенциала материала. Влияние обогащения на критическую массу показано в следующей таблице:

 Критические массы урана для различных обогащенных и отражающих источников

общее содержание U-235 кг/кг (плотность = 18,9)

Обогащенный отражатель

(% U-235) Нет данных о природном U Be

                       10 см 10 см

93,5 48,0/44,5 18,4/17,2 14,1/13,5

90.0 53.8/48.4 20.8/18.7 15.5/14.0

80.0 68. /54.4 26.5/21.2 19.3/15.4

70.0 86. /60.2 33. /23.1 24.1/16.9

60.0 120 /72. 45. /27. 32. /19.2

50.0 170 /85. 65. /33. 45. /23.

40.0 250 /100 100 /40. 70. /28.

30.0 440 /132 190 /57. 130 /39.

20.0 800 /160 370 /74 245 /49.

Приведены как общая критическая масса, так и критическая масса содержащегося U-235. Увеличение критической массы при более низком обогащении, конечно, менее выражено при расчете по содержанию U-235. Даже при наличии эквивалентных критических масс, более низкое обогащение снижает выход U-235 на кг за счет уменьшения максимального альфа-излучения. Это связано с сечением захвата нейтронов, не связанных с делением, у U-238 и смягчением нейтронного спектра за счет неупругого рассеяния (подробнее об этом см. обсуждение U-238 как нейтронного отражателя ниже).

Скорость спонтанного деления U-238 в 35 раз выше, чем у U-235. Таким образом, он составляет практически всю нейтронную эмиссию даже от наиболее обогащенного высокообогащенного урана. Скорость спонтанного деления урана (SF/кг·с) с различной степенью обогащения можно рассчитать по следующей формуле:

     Коэффициент SF = (доля U-235)*0,16 + (1 – (доля U-235))*5,5

Для 93,5% высокообогащенного урана (ВОУ) эта скорость (0,5 н/сек·кг) достаточно низка, чтобы большие количества можно было использовать в конструкциях оружия без опасений преждевременного взрыва. Если бы он использовался в конструкции «Малыш» (в которой, однако, фактически использовался 80% обогащенный уран), он производил бы в среднем только один нейтрон каждые 31 миллисекунду. Для любой конструкции вплоть до предельных размеров оружия пушечного типа проблем не существует. С другой стороны, 50% ВОУ было бы сложно использовать в оружии пушечного типа. Бериллиевый отражатель минимизировал бы массу (и, следовательно, количество присутствующего U-238), но для наличия разумного количества ВОУ (например, 2,5 критических масс) производился бы один нейтрон каждые 3,2 миллисекунды, что делает преждевременный взрыв значительной вероятностью. Однако скорость никогда не бывает достаточно высокой, чтобы существенно повлиять на имплозионную сборку.
Плутоний
производится путем нейтронной бомбардировки U-238, который захватывает нейтрон, образуя U-239. Затем U-239 распадается на нептуний-239, который, в свою очередь, распадается на
плутоний-239. Поскольку подавляющее большинство ядерных реакторов используют низкообогащенное урановое топливо (< 20% U-235, обычно 3-4% для коммерческих реакторов), они также содержат большое количество U-238. Таким образом, образование плутония является неизбежным следствием работы большинства реакторов.
Плутоний-239 является основным образующимся изотопом и наиболее востребованным изотопом для использования в оружии или в качестве ядерного топлива. Однако многократные захваты и другие побочные реакции неизменно приводят к образованию изотопной смеси. Основным загрязняющим изотопом всегда является плутоний-240, образующийся в результате неядерного захвата нейтронов плутонием-239. Степень облучения U-238 нейтронами измеряется «выгоранием» топлива, числом мегаватт-дней (тепловых) на тонну топлива. Чем выше выгорание, тем выше процент загрязняющих изотопов. В реакторах для производства оружия используется топливо с выгоранием 600-1000 МВт·сут/тонна, в легководных энергетических реакторах типичное расчетное выгорание составляет 33000 МВт·сут/тонна, а за счет использования топлива с более высоким обогащением этот показатель был увеличен до 45000 МВт·сут/тонна.
Плутоний обычно делится на категории в зависимости от содержания Pu-240:

• < 3% высшего сорта
• 3-7% Оружейного качества (обычно 6-6,5%)
• 7-19% топливная маркировка
• > 19% реакторного качества (отработанное топливо легководных энергетических реакторов)

В первом американском плутониевом оружии («Толстяк») использовался плутоний с содержанием Pu-240 всего 0,9%, в основном из-за сжатого графика производства (для быстрого извлечения плутония из хранилища и использования его в бомбах было применено всего 100 МВт·сут/тонну облучения). В современном американском ядерном оружии используется оружейный плутоний с номинальным содержанием Pu-240 6,5%. Более низкое содержание Pu-240 не является необходимым для корректной работы оружия и увеличивает его стоимость. США производят плутоний сверхвысокой степени выгорания для смешивания с высоковыгоревшим сырьем с целью получения оружейного материала. Плутоний, производимый в энергетических реакторах, имеет различный состав, но его изотопный профиль остается в целом схожим. Если U-238 подвергается чрезвычайно высокой степени выгорания, как в некоторых конструкциях реакторов-размножителей на быстрых нейтронах (100 000 МВт·сут/тонну), или если плутоний отделяется от отработанного топлива и используется в качестве топлива в других реакторах, он стремится к равновесному составу.
Типичные составы плутония:

             Пу-238 Пу-239 Пу-240 Пу-241 Пу-242

Класс оружия 0,0% 93,6% 5,8% 0,6% 0,0%

               0,0% 92,8% 6,5% 0,7% 0,0%

Реакторный сорт 2,0% 61,0% 24,0% 10,0% 3,0%

Равновесие 4,0% 32,0% 34,0% 15,0% 15,0%

Эти изотопы распадаются с разной скоростью, поэтому изотопный состав плутония меняется со временем (это также верно для высокообогащенного урана, но процесс распада там настолько медленный, что не имеет значения). Самыми короткоживущими изотопами, обнаруженными в значительных количествах в плутонии оружейного, топливного или реакторного качества, являются Pu-241 (13,2 года) и Pu-238 (86,4 года). Другие изотопы имеют периоды полураспада в тысячи лет и, следовательно, мало изменяются в течение человеческой жизни. Распад Pu-241 (до америция-241) имеет особое значение в оружии, поскольку в плутонии оружейного качества практически не содержится Pu-238.
Чтобы понять значимость этих изменений состава, нам необходимо рассмотреть два основных фактора: размер критической массы и скорость спонтанного деления. Дополнительный фактор, самонагрев при распаде, будет рассмотрен, но он гораздо менее важен.
Ниже приведены оценочные неотраженные (неуказанные) критические массы (кг) для сфер из чистых изотопов плутония в альфа-фазе (и америция-241, поскольку он образуется в плутонии оружейного качества):

Пу-238 9 кг

Пу-239 10 кг

Пу-240 40 кг

Пу-241 12 кг

Пу-242 90 кг

Ам-241 114 кг

Самое поразительное в этой таблице — это то, что все изотопы имеют критические массы! В отличие от них, U-238 (или природный уран, или даже низкообогащенный уран) не имеет критической массы, поскольку он не способен поддерживать быструю цепную реакцию деления. Это означает, что независимо от изотопного состава, плутоний вызовет ядерный взрыв, если его удастся достаточно быстро довести до сверхкритической массы.
Далее обратите внимание, что критические массы для Pu-239 и Pu-241 почти одинаковы, в то время как критические массы для Pu-240 и 242 в несколько раз выше. Из-за этого несоответствия Pu-239 и Pu-241, как правило, доминируют в делящейся способности любой смеси, и в литературе принято говорить об этих двух изотопах как о «делящихся», а Pu-240 и 242 — как о «неделящихся». Однако на самом деле неверно, что 240 и 242 являются неделящимися, что имеет важное следствие (показано в таблице ниже):

 Критические массы плутония различного состава

общее содержание Pu-239 (кг/кг), плотность = 19,4

Отражатель изотопного состава

 атомный % Нет 10 см нат. U

239 240

100% 0% 10.5/10.5 4.4/4.4

 90% 10% 11,5/10,3 4,8/4,3

 80% 20% 12,6/10,0 5,4/4,3

 70% 30% 13.9/ 9.7 6.1/4.3

 60% 40% 15.4/ 9.2 7.0/4.2

 50% 50% 17.2/ 8.6 8.0/4.0

 40% 60% 20.0/ 8.0 9.2/3.7

 20% 80% 28.4/ 5.7 13. /2.6

  0% 100% 40. / 0.0 20. /0.0

Мы видим, что, хотя критическая масса увеличивается с уменьшением содержания «делящегося» изотопа, масса Pu-239, присутствующая в каждой критической системе, уменьшается. Это прямо противоположно эффекту изотопного разбавления в уране. В диапазоне изотопных составов, встречающихся в плутонии, полученном в обычных реакторах, содержание Pu-239 в отраженных критических сборках практически не изменяется. Таким образом, независимо от изотопного состава, мы можем оценить приблизительную критическую массу, основываясь исключительно на количестве Pu-239, Pu-241 (и Pu-238) в сборке.
Pu-242, имеющий более высокую критическую массу, является более эффективным разбавителем, но он составляет лишь незначительную долю по сравнению с Pu-240 в большинстве изотопных смесей. Даже если Pu-242 рассматривать как основной разбавитель, картина остается в целом аналогичной.
Причина, по которой относительно низкая концентрация Pu-240 допустима в оружейном плутонии, заключается в испускании нейтронов в результате спонтанного деления. Высокоэффективное ядерное оружие сконструировано таким образом, чтобы инициировать реакцию деления вблизи максимально возможного сжатия, достижимого системой имплозии, и необходимо избегать преждевременного взрыва. Самая быстрая достижимая скорость инициирования, вероятно, составляет около 1 микросекунды; в «Толстяке» она составляла 4,7 микросекунды, и многие конструкции будут находиться где-то посередине этого диапазона.
Мы можем рассчитать скорость спонтанного деления в массе плутония по следующей формуле:

Скорость SF (SF/кг·сек) = (%Pu-238)*1,3×10^4 + (%Pu-239)*1,01×10^-1 +

                      (%Pu-240)*4,52×10^3 + (%Pu-242)*8,1×10^3

Для 6,2 кг плутония (около 1% Pu-240) в оружии типа «Толстяк» это составляет примерно 25 000 делений в секунду (или одно деление каждые 40 микросекунд). Оружие, изготовленное из 4,5 кг оружейного плутония с содержанием 6,5% Pu-240, подвергается делению со скоростью 132 000 делений в секунду (одно деление каждые 7,6 микросекунды). В усовершенствованной конструкции окно уязвимости, в котором инжекция нейтронов существенно снизит мощность, может составлять всего 0,5 микросекунды; в этом случае оружейный плутоний обеспечит лишь 7% вероятность получения некачественного продукта.
Однако даже плутоний, содержащийся в отработанном топливе легководных энергетических реакторов, может быть использован в оружии. При составе 2% Pu-238, 61% Pu-239, 24% Pu-240, 10% Pu-241 и 3% Pu-242 мы можем рассчитать скорость деления 159 000 делений/кг·с. Если бы в конструкции требовалось 6-7 кг, то средняя скорость составила бы около 1 деления/микросекунду. Быстрое введение имело бы значительную вероятность отсутствия преддетонации и обеспечило бы существенный выход энергии (несколько килотонн) даже в худшем случае.
В 1962 году США фактически испытали ядерное устройство, изготовленное из плутония с содержанием Pu-240 >19%. Выход энергии составил менее 20 килотонн. Хотя эта информация была впервые обнародована в 1977 году, точное количество Pu-240, выход энергии и дата испытания до сих пор засекречены.
Плутоний выделяет значительное количество тепла при радиоактивном распаде. Это составляет 2,4 Вт/кг для оружейного плутония и 14,5 Вт/кг для реакторного плутония. Это может привести к тому, что плутоний будет значительно теплее окружающей среды, и этот эффект нагрева необходимо учитывать при проектировании оружия, чтобы гарантировать, что вредные температуры не будут достигнуты при любых предполагаемых условиях эксплуатации. Однако тонкостенные конструкции, благодаря большой площади поверхности тонкой плутониевой оболочки, обладают естественной устойчивостью к этим эффектам. Тем не менее, это может создавать проблемы в левитирующих активных зонах, поскольку впадина будет иметь незначительный тепловой контакт с окружающими материалами.
Самонагрев можно рассчитать по следующей формуле:

Q (Вт/кг) = (%Pu-238)*5,67 + (%Pu-239)*0,019 + (%Pu-240)*0,07 + (%Pu-241)*0,034 + (%Pu-242)*0,0015 + (%Am-241)*1,06

Чрезвычайно слабая энергия распада Pu-241 приводит к незначительному нагреву, учитывая очень короткий период полураспада, однако распад Pu-241 существенно изменяет изотопный и химический состав в течение нескольких лет. Половина его распадается за 13,2 года, образуя америций-241. Это радиоизотоп с коротким периодом полураспада и высокой энергией распада. По мере превращения Pu-241 в америций происходит значительное увеличение самонагрева и радиотоксичности; также наблюдается очень незначительное (и, вероятно, незначительное) снижение реакционной способности.
Возможно, наиболее важным следствием накопления америция является его влияние на состав сплава. Америций является одним из элементов, которые могут служить легирующим агентом для стабилизации плутония в дельта-фазе. Поскольку легирующие агенты для этой цели обычно присутствуют в плутонии в количестве около 3% (атомных единиц), добавление 0,6% нового легирующего агента (америция) представляет собой значительное изменение состава. Это не является серьезной проблемой для оружейного плутония, хотя это необходимо учитывать при выборе сплава. В случае реакторного плутония эффект довольно выражен, поскольку распад Pu-241 может добавить 10% америция в сплав за пару десятилетий. Это, несомненно, окажет существенное влияние на плотность и прочность сплава.
При модернизации ядерного оружия было обычной практикой извлекать америций из плутония и переделывать оружейный сердечник. По-видимому, это не является необходимым. В настоящее время США не переделывают оружейные сердечники и не будут делать этого в значительных масштабах еще несколько лет. Поскольку производство оружейного плутония было прекращено в США, России, Великобритании и Франции, оставшиеся запасы этого материала в течение следующих нескольких десятилетий практически не будут содержать Pu-241 (и Am-241 после переработки).
Оксид плутония.
В любой сложной конструкции оружия плутоний будет использоваться в виде металла, вероятно, сплава. Возможность использования диоксида плутония (PuO2) в конструкции бомбы представляет интерес, поскольку большая часть разделенного плутония, существующего в мире, находится именно в этой форме. Террористическая группа, похищающая плутоний из хранилища, может попытаться использовать оксид непосредственно в оружии. Критическая масса реакторного плутония составляет около 13,9 кг (в неотраженном состоянии) или 6,1 кг (10¹⁰ см⁻³ природного урана) при плотности 19,4. Таким образом, порошковый компакт с плотностью 8 будет иметь критическую массу в (19,4/8)² раз выше: 82 кг (в неотраженном состоянии) и 36 кг (в отраженном состоянии), не считая веса кислорода (который добавляет еще 14%). При сжатии до кристаллической плотности эти значения снижаются до 40 кг и 17,5 кг. U -233
Оксид плутония представляет собой объемный зеленый порошок, как правило, получаемый таким способом. Однако его цвет может варьироваться от желтого до коричневого. Кислород имеет чрезвычайно малое сечение взаимодействия с нейтронами, поэтому оксид плутония ведет себя, по сути, как низкоплотная форма элементарного плутония. Максимальная (кристаллическая) плотность оксида плутония составляет 11,45, но объемный порошок обычно гораздо менее плотный. Рыхлый, неспрессованный порошок может иметь плотность всего 3-4. При прессовании под давлением можно достичь значительно более высоких плотностей, возможно, 5-6 в зависимости от используемого давления. При прессовании под очень высоким давлением и спекании оксид может достигать плотности 9,7-10,0.


— это тот же химический элемент, что и U-235, но его ядерные свойства больше похожи на плутоний. Как и плутоний, это искусственный изотоп, который необходимо получать в ядерном реакторе. Его критическая масса ниже, чем у U-235, а значение альфа-параметра материала выше; оба значения близки к значениям Pu-239. Период полураспада и общая радиоактивность U-233 гораздо ближе к показателям Pu-239, чем U-235.
U-233 изучался как потенциальный материал для оружия с самых первых дней Манхэттенского проекта. Он привлекателен в конструкциях, где желательны небольшие количества эффективного материала, но скорость спонтанного деления плутония является недостатком, например, в небольших,
компактных ядерных боеприпасах с низкоэффективными (и, следовательно, легкими) сборочными системами. По-видимому, он практически не использовался в реальном оружии США. Однако он применялся во многих американских испытаниях, что, возможно, указывает на его использование в развернутом оружии.
Причина этого — сложность производства. Его необходимо производить путем дорогостоящего облучения в реакторах, но, в отличие от плутония, его плодородный изотоп (торий-232) не является естественным компонентом уранового топлива. Для производства значительных количеств U-233 требуется специальный производственный реактор, который сжигает концентрированный делящийся материал в качестве топлива — либо плутоний, либо умеренно или высокообогащенный уран. Это еще больше увеличивает затраты и неудобства, делая его дороже даже плутония (который также имеет преимущество в виде существенно меньшей критической массы). Однако значительные ресурсы были направлены на производство U-233 в США. В пятидесятые годы на
АЭС Саванна-Ривер до трех реакторов-размножителей были загружены торием для производства U-233, а также была построена пилотная установка для разделения U-233 типа «Thorex».
U-233 имеет некоторые преимущества перед плутонием, главным образом, более низкий фон нейтронного излучения. Как и другие делящиеся изотопы с нечетным числом атомов, U-233 не подвергается легкому спонтанному делению, также важно то, что соседние изотопы с четным числом атомов имеют относительно низкие скорости деления. Основным изотопным примесью для U-233 является U-232, который образуется в результате реакции n,2n во время размножения. Скорость спонтанного деления U-232 почти в 1000 раз ниже, чем у Pu-240, и обычно он присутствует в гораздо меньших концентрациях.
Если принять соответствующие меры предосторожности при использовании тория с низким содержанием Th-230 и использовать соответствующую конструкцию реактора/бланкета для размножения, то можно производить оружейный U-233 с содержанием U-232 около 5 частей на миллион (0,0005%). Содержание U-232 выше 50 ppm (0,005%) считается низким.
Из-за короткого периода полураспада U-232 (68,9 лет) излучение альфа-частиц обычного U-233 довольно высокое, возможно, в 3-6 раз выше, чем в оружейном плутонии. Это делает возможными проблемы, связанные с реакциями альфа->н с участием примесей легких элементов в U-233. Даже при низком содержании U-233 и очень низкой химической чистоте урана уровни излучения не сопоставимы с излучением Pu-240 в оружейном плутонии, но они могут быть достаточно высокими, чтобы исключить использование нечистого U-233 в оружейном комплексе. Если поддерживать уровень чистоты 1 ppm или выше для ключевых легких элементов (достижимый еще в 1940-х годах и, безусловно, легкодоступный сегодня), то в конструкциях орудий можно использовать любой обычный изотопный сорт U-233.
Хотя примесь U-232 вызывает значительный самонагрев (718 Вт/кг), ее концентрация слишком мала, чтобы оказать существенное влияние. Чистая критическая масса низкосортного U-233 (16 кг) будет излучать 5,06 ватт, 11% из которых приходится на нагрев от U-232.
Потенциально более серьезная проблема связана с цепочкой распада U-232. Она приводит к образованию ряда короткоживущих изотопов, некоторые из которых испускают мощное гамма-излучение. Это излучение усиливается в течение нескольких лет после очистки U-233 из-за накопления самого долгоживущего промежуточного соединения, Th-228. Ожидается, что сфера из 10 кг оружейного урана-233 (5 ppm U-232) достигнет 11 миллирентген/час на расстоянии 1 метра через 1 месяц, 0,11 рентген/час через 1 год и 0,20 рентген/час через 2 года. Работа с такими компонентами в перчаточном боксе, типичная для сборки и разборки оружия, быстро создаст проблемы с безопасностью труда. Годовой предел облучения в 5 рентген будет превышен менее чем за 25 часов работы по сборке, если будет использоваться уран-233 двухлетней давности. Даже материал, которому всего 1 месяц, потребует ограничения работы по сборке до менее чем 10 часов в неделю.
Типичные значения критической массы для U-233 (98,25%, плотность 18,6) следующие:

                   Отражатель

          Нет нат. U Be

                5,3 см 10 см 4,2 см

Масса (кг) 16 7,6 5,7 7,6

Саморазогрев можно рассчитать по следующей формуле:

Q (Вт/кг) = (%U-232)*7,18 + (%U-233)*0,0027 + (%U-234)*0,0018

Композитные активные зоны.
Если доступно более одного типа делящихся материалов (например, U-235 и плутоний, или U-235 и U-233), привлекательным вариантом конструкции является их объединение в одной конструкции активной зоны. Это устраняет необходимость в нескольких вариантах конструкции оружия, может обеспечить синергетический эффект от свойств двух материалов и привести к оптимальному использованию всего запаса делящихся материалов оружейного класса.
U-235 получают путем изотопного обогащения, и он, как правило, намного дешевле, чем Pu-239 или U-233, получаемые в реакторах (обычно в 3-5 раз дешевле). Последние два материала имеют более высокие максимальные значения альфа-излучения, что делает их более эффективными ядерными взрывчатыми веществами, и более низкие критические массы. Плутоний обладает нежелательным свойством высокой скорости испускания нейтронов (вызывая преждевременное детонирование). U-233 обладает нежелательным свойством высокой скорости испускания гамма-излучения (вызывая проблемы со здоровьем).
Комбинирование U-235 с Pu-239 или U-235 с U-233 повышает эффективность U-235 и снижает требуемую массу активной зоны по сравнению с чистым U-235. С другой стороны, скорость излучения нейтронов или гамма-излучения снижается по сравнению с активными зонами из чистого плутония или U-233, и они также значительно дешевле.
При использовании материала с более высоким альфа-уровнем с материалом с более низким альфа-уровнем, материал с высоким альфа-уровнем всегда размещается в центре. Этому можно привести две причины. Во-первых, наибольший общий альфа-уровень для активной зоны достигается, если материал с высоким альфа-уровнем (с самой высокой скоростью размножения нейтронов) размещается там, где поток нейтронов максимален (т.е. в центре). Во-вторых, утечка нейтронов из активной зоны определяется радиусом активной зоны, измеренным в средних длинах свободного пробега. Концентрируя материал с наименьшей длиной свободного пробега в небольшом объеме в центре, «размер» активной зоны в длинах свободного пробега максимизируется, а утечка нейтронов минимизируется.
Композитные сердечники могут использоваться в любых типах имплозионных систем (с твердым сердечником, с левитирующим сердечником и т. д.). Соотношение плутония и высокообогащенного урана, как правило, определялось относительными запасами или темпами производства этих двух материалов. Эти конструкции в значительной степени вышли из употребления в арсенале США (и, вероятно, Советского Союза/России), поскольку в арсенале стали доминировать легкие термоядерные системы.
Заслонки и отражатели
Хотя термин «тампер» долгое время использовался для обозначения как эффектов гидродинамического удержания, так и отражения нейтронов, я стараюсь различать эти эффекты. Я использую термин «тампер» исключительно для обозначения удержания расширяющейся делящейся массы. Термин «отражатель» я использую для описания усиления сохранения нейтронов за счет обратного рассеяния в делящееся ядро. Один материал может выполнять обе функции, но физические явления не связаны, и свойства материалов, ответственные за два эффекта, в значительной степени различны. В некоторых конструкциях одна или другая функция может практически отсутствовать, а в других конструкциях могут использоваться разные материалы для обеспечения большей части каждого из преимуществ.
Поскольку эффективность устройства деления критически зависит от скорости размножения нейтронов, эффект сохранения нейтронов, обусловленный отражателем, как правило, более важен, чем эффект инерционного удержания, создаваемый тампером, для максимизации эффективности тамперов устройства. Тамперирование обеспечивается слоем, прилегающим к делящейся массе. Этот слой значительно снижает скорость расширения нагретого материала ядра, ограничивая его скорость до скорости ударной волны высокого давления (шестикратное снижение по сравнению со скоростью расширения в вакууме).
Для этого необходимы два физических свойства: высокая плотность и оптическая непрозрачность для теплового излучения, испускаемого ядром. Высокая плотность требует высокой атомной массы и высокой атомной плотности. Поскольку высокая атомная масса тесно коррелирует с высоким атомным номером, а высокий атомный номер придает оптическую непрозрачность мягкому рентгеновскому спектру горячего ядра, второе требование автоматически выполняется.
Дополнительный эффект уплотнения достигается за счет того, что слой уплотнения толщиной около одной оптической толщины (средней длины свободного пробега рентгеновского излучения) нагревается до температур, сопоставимых с температурами ядра бомбы. Таким образом, гидродинамическое расширение начинается на границе этого слоя, а не на фактической границе ядра и уплотнения. Это увеличивает расстояние, которое должна пройти волна разрежения, чтобы вызвать значительное разрушение. При выборе тампера необходимо учитывать явление неустойчивости Рэлея-Тейлора (см. раздел 3.8). В период притока потока после прохождения сходящейся ударной волны неустойчивость может возникнуть, если плотность тампера меньше плотности делящегося ядра. На это влияют градиент давления, длительность имплозии, симметрия имплозии, начальная гладкость границы раздела тампер/ядро и разница плотностей. Идеальным тампером должен быть самый плотный из доступных материалов. Десять самых плотных элементов (в порядке убывания плотности):
Для эффективности уплотнение должно находиться в непосредственном контакте с поверхностью делящегося ядра. Толщина тампера не обязательно должна быть очень большой. Ударная волна распространяется наружу примерно с той же скоростью, что и волна разрежения, распространяющаяся внутрь. Это означает, что если толщина тампера равна радиусу сердечника, то к моменту достижения ударной волны поверхности тампера весь сердечник будет расширяться, и эффект тамперирования больше не будет достигнут. Поскольку диаметр сердечника бомбы, сжатой имплозией, составляет порядка 3 см (для Pu-239 или U-233), толщины тампера в 3 см обычно вполне достаточно.

Осмий 22,57

Иридий 22,42

Платина 21,45

Рений 21,02

Нептуний 20.02

Плутоний-19,84

Золото 19,3

Вольфрам 19,3

Уран 18,95

Тантал 16,65

Хотя драгоценные металлы, такие как осмий, иридий, платина или золото, могут показаться слишком ценными, чтобы всерьез рассматривать их использование для взрывов, на самом деле они намного дешевле, чем делящиеся материалы, используемые в производстве оружия. Стоимость делящихся материалов оружейного качества по своей природе высока. В настоящее время США закупают излишки высокообогащенного урана у России по цене 24 доллара за грамм, а оружейный плутоний, как говорят, оценивается в 5 раз выше. В конце 1940-х годов уран-235 стоил 150 долларов за грамм в тогдашних ценах (что в несколько раз превышало современную стоимость)! Если бы драгоценные металлы действительно обладали уникальными свойствами для повышения эффективности делящихся материалов, их использование могло бы быть экономически выгодным. Однако никто, насколько известно, не использовал ни один из этих материалов в качестве демпфера деления.
Рений намного дешевле драгоценных металлов и является серьезным претендентом на роль демпфера. Нептуний — трансурановый металл, который не дешевле плутония и сам по себе является потенциальным делящимся материалом. Таким образом, золото не может считаться материалом для фальсификации, как и дорогостоящий и делящийся плутоний. Золото всерьез не рассматривалось бы в качестве материала для фальсификации, поскольку вольфрам имеет идентичную плотность, но значительно дешевле (хотя его использовали в качестве материала для фальсификации в термоядерных реакторах). Природный и обедненный уран (ОУ) широко использовался в качестве материала для фальсификации во многом благодаря ценным ядерным свойствам (обсуждаемым ниже). Дешевизна ОУ (фактически бесплатного) безусловно, является плюсом.
Карбид вольфрама (ВХ), с максимальной плотностью 15,63 (14,7 более типично для изготовленных деталей), не является выдающимся материалом для фальсификации, но его плотность достаточно высока, чтобы рассматривать его в качестве комбинированного материала для фальсификации/отражателя, поскольку он является очень хорошим отражателем.
В сравнении с ним два других элемента, обычно считающихся плотными, не выдерживают сравнения: ртуть (13,54) и свинец (11,35). Свинец использовался в качестве демпфера термоядерного синтеза в конструкциях с радиационной имплозией, как в чистом виде, так и в виде сплава свинца и висмута.
Отражатели.
Полезность материала в качестве отражателя в основном определяется его средней длиной свободного пробега для рассеяния. Чем короче это значение, тем лучше отражатель.
Чтобы понять важность короткого среднего свободного пробега (СЛП), рассмотрим типичную геометрию бомбы – сферическое делящееся ядро ​​радиусом r_core, окруженное сферическим отражателем. Среднее расстояние от центра сборки, на котором впервые рассеивается вылетающий нейтрон, равно r_core + СЛП. Если СЛП рассеяния для отражателя сопоставимо с r_core, то объем отражателя, в котором происходит рассеяние, намного больше объема ядра. Направление рассеяния по существу случайное, поэтому в этих условиях рассеянный нейтрон вряд ли войдет обратно в ядро. Большинство из тех, кто в конечном итоге войдет, рассеются несколько раз, пройдя расстояние, кратное значению СЛП. Уменьшение значения СЛП значительно уменьшит объем, в котором происходит рассеяние, и, следовательно, увеличит вероятность повторного входа нейтрона и уменьшит среднюю пройденную им траекторию до этого.
Поскольку количество нейтронов в ядре увеличивается очень быстро, примерно удваиваясь за время, необходимое нейтрону для прохождения одного миллиметра свободного пробега (MFP), значение среднего отраженного нейтрона для цепной реакции значительно снижается из-за эффекта «временного поглощения». Он представляет собой более старое и, следовательно, менее многочисленное поколение нейтронов, которое было вытеснено более поздними поколениями. Этот эффект можно математически представить, включив в отражатель фиктивный поглотитель, сечение поглощения которого обратно пропорционально скорости нейтрона. Из-за временного поглощения, а также влияния геометрии, эффективность отражателя, таким образом, очень быстро снижается с увеличением MFP.
При постоянном MFP увеличение толщины отражателя также имеет точку убывающей отдачи. Большая часть выгоды в снижении критической массы достигается при толщине отражателя в 1 MFP. При толщине отражателя в 2 MFP критическая масса обычно снижается до нескольких процентов от своего значения для бесконечно толстого отражателя. Временное поглощение также приводит к быстрому снижению эффективности отражателя при толщине, превышающей примерно один MFP. Очень толстый отражатель имеет мало преимуществ перед относительно тонким.
Экспериментальные данные, показывающие зависимость критической массы от толщины отражателя, могут вводить в заблуждение при оценке характеристик отражателя в оружии, поскольку критические системы не являются умножающимися (альфа = 0). Эти эксперименты полезны, когда отражатель относительно тонкий (несколько сантиметров), но данные для толстых отражателей не имеют смысла. Например, рассмотрим следующие данные о критической массе плутония, отраженного бериллием:

 Экономия на бериллиево-плутониевых отражателях

Критическая масса плутония альфа-фазы бериллия (d = 19,25)

Толщина (см) (кг)

 0.00 10.47

 5.22 5.43

 8.17 4.66

13.0 3.93

21.0 3.22

32.0 2.47

Очень низкая критическая масса для отражателя диаметром 32 см не имеет смысла в системе с высоким альфа-уровнем; в этом случае система будет вести себя так, как если бы отражатель был намного тоньше (и, соответственно, критическая масса была бы выше). Отражатели толщиной более 10 см дают незначительную или нулевую выгоду. Даже 10-сантиметровый отражатель может дать небольшое преимущество по сравнению с существенно более тонким.

[Примечание: Приведенная выше таблица в сочетании с правилом 2 MFP для эффективности отражателей может привести к выводу, что MFP бериллия должна быть порядка 16 см. Это неверно. Большая часть преимуществ очень толстых бериллиевых отражателей обусловлена ​​его свойствами замедлителя, замедляющего нейтроны, благодаря чему они более эффективно вызывают деление. Этот эффект замедления бесполезен в бомбе, поскольку влияние поглощения во времени для замедленных нейтронов очень велико.]

В бомбе «Толстяк» толщина отражателя из U-238 составляла 7 см, поскольку более толстый отражатель не имел бы никакой ценности. В сборках с низким альфа-излучением дополнительные преимущества в отражательной способности наблюдаются при использовании урановых отражателей толщиной более 10 см. Для сокращения времени прохождения нейтрона также важно, чтобы нейтронный отражатель находился в непосредственной близости от делящегося ядра, предпочтительно в прямом контакте с ним.
Поскольку средняя длина свободного пробега уменьшается при сжатии отражателя, очень выгодно сжимать отражатель вместе с делящимся ядром.
Многие элементы имеют схожие микроскопические сечения рассеяния нейтронов спектра деления (2,5–3,5 барн). Следовательно, средняя длина свободного пробега имеет тенденцию коррелировать с атомной плотностью. Некоторые материалы (например, уран и вольфрам) имеют необычно высокие сечения рассеяния, которые компенсируют низкую атомную плотность.
Параметр c (среднее число вторичных частиц на столкновение) также имеет важное значение. Это тот же параметр c, который упоминался ранее в связи с альфа-излучением делящихся материалов. В отражающих материалах эффективное значение c по спектру присутствующих нейтронов всегда меньше 1. Только два отражающих материала обеспечивают значительное умножение нейтронов: U-238 (из быстрого деления) и бериллий (из реакции Be-9 + n -> 2n + Be-8). Умножение нейтронов в U-238 становится значительным, когда энергия нейтронов превышает 1,5 МэВ (около 40% всех нейтронов деления), но для бериллия необходима энергия нейтронов 4 МэВ. Кроме того, U-238 производит в среднем больше нейтронов за реакцию (2,5 против 2). Для нейтронов спектра деления это дает U-238 значение c = 1,05, а для Be — значение c = 1,03. Следует помнить, что это относится к  нейтронам спектра деления , то есть к нейтронам, подвергающимся первому столкновению!  Однако эффективное  значение ниже, поскольку после одного или нескольких столкновений энергетический спектр изменяется.
Каждый быстрый нейтрон деления урана значительно сильнее усиливает цепную реакцию в ядре по сравнению с нейтронами, умноженными бериллием, благодаря более высокой энергии быстрых нейтронов деления. Быстрое деление U-238 — это реакция, генерирующая энергию и создающая нейтроны со средней энергией 2 МэВ. Реакция умножения бериллия  поглощает  энергию (1,665 МэВ на реакцию) и, таким образом, производит медленные нейтроны низкой энергии, для которых поглощение энергии во времени особенно важно. Энергия, производимая быстрым делением U-238, также может значительно увеличить выход ядерной бомбы. По оценкам, 20% выхода бомбы Gadget/Fat Man было получено за счет быстрого деления природного уранового тампера.
Как бериллий, так и уран обладают отрицательными свойствами, поскольку они имеют тенденцию уменьшать энергию рассеянных нейтронов (и снижать эффективное значение c ниже 1). В случае бериллия это происходит из-за замедления – передачи энергии от нейтрона к атомному ядру посредством упругого рассеяния. В случае урана это происходит из-за неупругого рассеяния.

 Материалы для отражателей-кандидатов

Сечения и средние длины свободного пробега относятся к нейтронам спектра деления.

Материал отражателя. Плотность. Среднее поперечное сечение. MFP.

                      моль/см³ амбары см

Углерод (C, алмаз) 0,292 2,37 2,40

Оксид бериллия (BeO) 0,241 2,79 2,47

Бериллий (Be) 0,205 2,83 2,86

Карбид бериллия (BeC) 0,190 2,60 3,36

Углерод (C, графит) 0,188 2,37 3,73

Вода (H2O) 0,167 3,54 2,81

Никель (Ni) 0,152 3,84 2,85

Карбид вольфрама (WC) 0,150 4,55 2,43

Кобальт (Со) 0,148 3,68 3,05

Железо (Fe) 0,141 3,66 3,22

Медь (Cu) 0,141 3,65 3,23

…

Осмий (Os) 0,118

Иридий (Ir) 0,117

Рений (Re) 0,110

Платина (Pt) 0,110

Вольфрам (W) 0,105 6,73 2,35

Золото (Au) 0,098

Плутоний (Pu) 0,083

Уран (U) 0,080 7,79 2,66

Ртуть (Hg) 0,068

Свинец (Pb) 0,055

Из этого списка видно, что материалы с самой высокой атомной плотностью состоят из легких элементов. Некоторые соединения достигают более высокой атомной плотности, чем чистые элементы, за счет плотной упаковки атомов разного размера. Так, BeO плотнее (как по массе, так и по количеству молей/см³) Be, а WC плотнее W (только по количеству молей/см³).
Используя данные о критической массе, некоторые из этих материалов можно упорядочить по эффективности отражателя. В приведенном ниже порядке X > Y означает, что X является лучшим отражателем, чем Y, а (X > Y) означает, что хотя X лучше, чем Y, разница настолько незначительна, что они почти равны (значения эффективности отражателя показаны под каждым материалом):

Be > (BeO > WC) > U > W > Cu > H2O > (Graphite > Fe)

2.86 2.47 2.28 2.66 2.43 3.23 2.82 3.73 3.22

Из этого следует общая тенденция к снижению средней длины свободного пробега нейтронов для лучших отражателей, но она не является чрезвычайно сильной. В значительной степени это объясняется эффектами умножения и замедления нейтронов. Как отмечалось ранее, этот рейтинг, составленный на основе критически важных сборок, несколько переоценивает бериллий с точки зрения его использования в оружии. Тем не менее, бериллий по-прежнему в целом является лучшим отражателем, особенно когда желательна низкая масса. Уран и карбид вольфрама являются лучшим компромиссным отражателем/замедлителем.
Углерод является довольно хорошим отражателем нейтронов. Его недостатком является то, что это легкий элемент, замедляющий нейтроны, но, будучи тяжелее бериллия (при массе 12 против 9), он замедляет их несколько меньше. При использовании в качестве ударного буфера можно получить дополнительные значительные преимущества от отражения нейтронов. Исключительно высокая атомная плотность и короткая средняя длина свободного пробега у алмаза делают его интересным материалом. Прежде чем сходу отвергать эту возможность как абсурдную, учитывая её стоимость, следует отметить, что синтетический промышленный алмаз стоит всего 2500 долларов за килограмм, что значительно меньше, чем делящийся материал, используемый в сердечнике. Из него также можно изготавливать компакты высокой плотности.
Железо является удивительно хорошим отражателем, хотя и недостаточно хорошим, чтобы рассматривать его для такого применения в сложных конструкциях. Оно может быть важным из-за его использования в качестве конструкционного материала – например, в корпусе ядерного артиллерийского снаряда или стволе орудия.
Для сердечника радиусом 4,6 см были найдены следующие толщины отражателя, одинаково эффективные:

Be 4,2 см

U 5,3 см

Ширина 5,8 см

Графит 10 см

Рассматривая ситуацию с другой точки зрения (изменение критической массы при одинаковой толщине различных материалов), получаем:

 Критическая масса для 93,5% U-235 (кг)

Толщина отражающего материала

          2,54 см 5,08 см 10,16 см

Be 29.2 20.8 14.1

БеО – 21,3 15,5

WC – 21.3 16.5

У 30,8 23,5 18,4

Ж 31,2 24,1 19,4

H2O 24 22.9

Медь 32,4 25,4 20,7

Графит 35,5 29,5 24,2

Fe 36.0 29.5 25.3

Ниже представлен график, графически демонстрирующий изменение критической массы сплава Oralloy в зависимости от толщины отражателя (взято из LA-10860-MS, Критические размеры систем, содержащих 235-U, 239-Pu и 233-U; пересмотрено в 1986 г.):

 Критическая масса сплава Oralloy для различных отражателей

Изменение критических масс плутония и U-233 в зависимости от толщины отражателя можно определить, используя приведенную ниже диаграмму (также взятую из LA-10860-MS) в сочетании с приведенной выше диаграммой для Oralloy:

Критические соотношения масс плутония/ораллой и U-233/ораллой для различных отражателей

Зависимость критической массы от толщины отражателя иногда также выражается в терминах экономии отражателя, то есть уменьшения критического радиуса при заданной толщине отражателя:

Экономия отражателя (см) для различных комбинаций отражателя и делящегося материала.

                              Расщепляющийся материал

                  93,5% плутония U-235

Толщина отражателя (см) Толщина отражателя (см)

Материал 1.27 2.54 5.08 10.16 1.27 2.54 5.08 10.16

Be 0.90 1.46 2.14 2.94 0.73 1.11 1.51 1.97

U 0,81 1,31 1,87 2,40 0,66 1,01 1,36 1,66

Ж 0,82 1,29 1,82 2,29 0,67 1,00 1,33 1,59

Fe 0.59 0.92 1.36 1.70 0.50 0.74 1.04 1.25

В большинстве конструкций оружия желательны как преимущества уплотнения, так и отражение нейтронов. Доступны два варианта конструкции:

1. Используйте компромиссный материал, выполняющий обе функции; или
2. Используйте многослойную систему – внутренний трамбовочный элемент и внешний отражатель.

В конструкциях относительно тяжелых имплозионных бомб обычно используется U-238 (в виде природного или обедненного урана) в качестве компромиссного материала. Он очень хорош или даже превосходен в обоих отношениях и также повышает мощность взрыва. В конструкции Gadget/Fat Man использовался трамбовочный элемент из природного урана массой 120 кг (толщиной 7 см). Во всех ранних американских имплозионных конструкциях уран использовался в качестве трамбовочного/отражающего элемента. Высокая скорость спонтанного деления U-238 исключает его использование в конструкциях пушечного типа.
В оружии Little Boy в качестве компромиссного материала использовался карбид вольфрама. Его плотность довольно высока, и он является отличным нейтронным отражателем (второй после бериллия среди практических отражающих материалов). Он менее плотный, чем урановый сердечник, но поскольку сердечник Little Boy не был
сжат, неустойчивость Рэлея-Тейлора не учитывалась при проектировании. Металлический вольфрам использовался в южноафриканских пушечных бомбах, этот выбор делает больший акцент на трамбовке, чем на отражении, по сравнению с карбидом вольфрама. Примечательно, что существуют ограничения на двойное использование вольфрамовых сплавов и карбидов:

Детали, изготовленные из вольфрама, карбида вольфрама или сплавов вольфрама (>90% вольфрама), имеющие массу >20 кг и полую цилиндрическую форму (включая сегменты цилиндра) с внутренним диаметром более 10 см, но менее 30 см.

Это явно основано на его использовании в качестве отражателя в оружии пушечного типа.
Бериллий используется в качестве отражателя в современных легких ядерных боеголовках и термоядерных детонаторах. Он имеет особое значение для детонаторов, поскольку практически прозрачен для теплового излучения, испускаемого активной зоной. Это очень эффективный отражатель для своей массы, лучший из доступных. Но из-за своей чрезвычайно низкой плотности массы он практически бесполезен в качестве демпфера. В конструкциях с ускоренным двигателем демпфирование может быть ненужным, но также возможно вставить (тонкий) демпфирующий слой между активной зоной и бериллиевым отражателем. Реакция n,2n также полезна в конструкциях с ускоренным двигателем, поскольку та доля термоядерных нейтронов, которая покидает активную зону без захвата или существенного рассеяния, все еще сохраняет достаточно энергии для высвобождения достаточно энергичных нейтронов в отражателе. Бериллий обладает относительно высокой сжимаемостью, что также может повысить его эффективность в качестве отражателя.
Интересно также отметить, что завод Allied-Signal в Канзас-Сити разработал технологию нанесения пленок из вольфрама и рения толщиной до 4 мм. Это был бы практически идеальный материал и толщина для трамбовки в конструкции имплозии с использованием бериллиевой отражающей летающей пластины. Путем легирования рения вольфрамом можно увеличить плотность вольфрама (так что она будет соответствовать или превышать плотность альфа-фазы плутония), а также улучшить пластичность и обрабатываемость вольфрама. Заметное подтверждение этому получено в результате испытания кратера от взрыва шхуны мощностью 31 кт в 1968 году (в рамках программы Plowshare). Некоторые из наиболее заметных радионуклидов в облаке обломков представляли собой радиоактивные изотопы вольфрама и рения.
Также возможно, что в качестве трамбовок в конструкциях летающих пластин использовались урановые фольги, которые, как известно, производились для оружия.
Методы инициирования деления.
После формирования сверхкритической массы необходимо ввести нейтроны для запуска цепной реакции.
Для оружия пушечного типа это не представляет особой проблемы, поскольку конструкция позволяет сверхкритической массе оставаться в полностью сформированном состоянии неограниченно долго. В конечном итоге нейтрон из преобладающего фонового излучения обязательно вызовет взрыв полной мощности.
В имплозионной бомбе это представляет собой серьезную проблему, поскольку интервал времени, в течение которого бомба находится вблизи оптимальной критичности, довольно короткий – как по абсолютной продолжительности (менее микросекунды), так и по отношению к времени, в течение которого бомба находится в критическом состоянии.
Первой серьезной идеей для использования в оружии было простое включение непрерывного источника нейтронов, либо материала с высокой скоростью спонтанного деления, либо альфа-излучателя, выбивающего нейтроны из смешанного с ним бериллия. Такой излучатель производит нейтроны случайным образом, но с определенной средней скоростью. Это неизбежно создает случайное распределение времени инициирования и выхода (так называемое стохастическое инициирование). Регулируя среднюю скорость излучения, можно достичь баланса между временем до и после детонации, что позволяет получить высокую вероятность достаточно мощного (но неопределенного) выхода. Эта идея была предложена для бомбы «Толстяк» на ранней стадии разработки.
Гораздо более совершенной идеей является использование модулированного нейтронного инициатора — источника или генератора нейтронов, который можно включить в определенное время. Это гораздо более сложный подход в разработке, независимо от используемой технологии. Модулированные инициаторы могут быть как внутренними конструкциями, которые размещаются внутри делящейся камеры и активируются имплозионной волной, так и внешними конструкциями, которые размещаются вне делящейся сборки.
Следует отметить, что для инициатора крайне желательно испускать по меньшей мере несколько нейтронов в течение оптимального периода, поскольку один нейтрон может быть захвачен без возникновения деления. Если удастся сгенерировать большое количество нейтронов, то общая длина цепной реакции может быть значительно сокращена. Импульс в 1 миллион нейтронов может сократить общую длину реакции примерно на 25% (около 100 наносекунд), что может быть полезно для обеспечения оптимальной эффективности.

Бериллий-полониевые инициаторы

Этот общий тип инициатора использовался во всех ранних конструкциях бомб. Основная идея заключается в том, чтобы инициировать генерацию нейтронов в выбранный момент времени путем смешивания мощного альфа-излучателя с элементом бериллием. Примерно в одном случае из 30 миллионов, когда альфа-частица сталкивается с атомом бериллия, выбивается нейтрон.

Главная трудность здесь заключается в том, чтобы не допустить контакта альфа-излучателя с бериллием, а затем добиться достаточно быстрого и полного перемешивания, чтобы точно синхронизированный выброс нейтронов произошел.
Очень малый пробег альфа-частиц в твердом веществе (несколько десятков микрон) сделал бы первое требование относительно легко выполнимым, за исключением одного момента. Большинство сильных альфа-излучателей также испускают гамма-лучи, которые проникают на многие сантиметры в твердое вещество и иногда выбивают нейтроны. Поиск радиоизотопа с достаточно низким уровнем гамма-излучения значительно ограничивает выбор. Подходящий радиоизотоп также должен иметь относительно короткий период полураспада (не более нескольких десятилетий), чтобы небольшая его концентрация обеспечивала достаточную активность, и быть достаточно экономичным в производстве.
Один изотоп представляется явным фаворитом, если учесть все эти факторы: полоний-210. Хотя другие альфа-излучатели также испускают гамма-лучи.

Рассматривались различные варианты, и все радиоизотопные модулированные инициаторы, по-видимому, использовали полоний-210 в качестве альфа-источника. Однако этот изотоп имеет период полураспада всего 138,39 дней. С одной стороны, это означает, что мощный источник альфа-излучения может быть довольно малым (50 кюри, что составляет 1,85 x 10¹² альфа-излучений в секунду, и весит всего 11 мг). С другой стороны, полоний-210 быстро исчезает и должен постоянно пополняться для поддержания постоянного арсенала. Полоний-208 и актиний-227 также рассматривались в качестве вариантов для этой роли.
Второе требование: тщательно рассчитанное, быстрое и эффективное смешивание, требующее очень продуманной конструкции для имплозионного оружия. После рассмотрения нескольких предложений Лос-Аламос выбрал нейтронный инициатор под названием «Еж» или «Шаркбол» для Гаджета/Толстяка. Все рассмотренные конструкции основывались на размещении инициатора в центре делящейся массы и использовании прихода сходящейся ударной волны для запуска процесса смешивания. Это обеспечивало сильное сжатие всей массы (хотя, возможно, и не оптимальное) и размещение инициатора там, где испускаемые нейтроны были бы наиболее эффективны.
«Еж» представлял собой сферу, состоящую из полой бериллиевой оболочки с твердой сферической бериллиевой гранулой внутри. Полоний был нанесен слоем между оболочкой и гранулой. И оболочка, и гранула были покрыты тонкой металлической пленкой, чтобы предотвратить попадание полония (или его альфа-частиц) на бериллий. Смешивание осуществлялось с помощью эффекта Манро (также называемого эффектом кумулятивного заряда или эффектом полого заряда): ударные волны сталкиваются, образуются мощные высокоскоростные струи. Этот эффект создавался путем вырезания параллельных клиновидных канавок на внутренней поверхности оболочки. Когда ударная волна имплозии разрушала эти бороздки, сквозь слой полония вырывались листовидные струи бериллия, вызывая сильную турбулентность, которая быстро смешивала полоний и бериллий.
Разместив небольшую массу полония в виде слоя, зажатого между двумя относительно большими массами бериллия, конструкторы «Урчина» подстраховывались. Даже если бы эффект Монро не сработал, как предполагалось, любой процесс смешивания или турбулентность, вероятно, нарушили бы тщательно изолированный слой полония и вызвали бы его перемешивание.

Весь инициатор весил около 7 граммов. Внешняя оболочка имела ширину 2 см и толщину 0,6 см, а твердая внутренняя сфера — ширину 0,8 см. На внутренней поверхности оболочки было вырезано 15 параллельных клиновидных канавок, каждая глубиной 2,09 мм. И оболочка, и внутренняя гранула были сформированы методом горячего прессования в атмосфере карбонильной группы никеля, что привело к осаждению слоя никеля на их поверхности. Поверхности оболочки и центральной сферы также были покрыты слоем золота толщиной 0,1 мм. В сочетании со слоем никеля золотая пленка обеспечивала барьер между полонием и бериллием.

На канавки внутри оболочки и на центральную сферу было нанесено 50 кюри полония-210 (11 мг). Такое количество полония обеспечивает тепловую мощность 0,1 Вт, вызывая очень заметное нагревание в таком маленьком объекте. Послевоенные исследования показали, что не более 10 кюри обеспечивают приемлемый эффект инициирования, позволяя производить инициаторы, которые оставались пригодными к использованию до года.
Рассматривались и другие конструкции для генерации смешивания. Одна из конструкций, рассмотренная во время или вскоре после Второй мировой войны, использовала сферическую оболочку, внутренняя поверхность которой была покрыта коническими углублениями. Оболочка была покрыта металлической пленкой, и полоний был нанесен на внутреннюю поверхность, как в конструкции Урчина. В этой конструкции полость внутри полой оболочки была пустой, центрального шарика не было. Главное преимущество здесь заключается в том, что инициатор можно было сделать меньше, сохраняя при этом надежность. Недостатком конструкции Урчина было то, что эффект Манро менее устойчив в линейной геометрии. Образование струи при схлопывании клина зависит от угла вершины и других факторов и может привести к сбою (возможно, его использование было обусловлено более тщательным изучением линейной геометрии Фуксом во время войны). Однако эффект струи достаточно устойчив в конической геометрии: схлопывание конических углублений приводит к образованию высокоскоростных струй металлического бериллия, впрыскивающихся в полость практически при любых условиях. Пирамидальные углубления обеспечивают аналогичные преимущества и использовались в инициаторах, оснащенных полыми и центральными сферами.
Меньший инициатор TOM (около 1 см), заменивший Urchin, вероятно, был основан на конструкции с полым коническим углублением (или тетраэдрическим углублением). Эта конструкция была предложена для использования в 1948 году, но запущена в производство только в январе 1950 года в Лос-Аламосе. Первое испытание (в ходе испытаний оружия) состоялось в мае 1951 года. Одним из преимуществ инициатора TOM было более эффективное использование полония (больше нейтронов на грамм Po-210).
Одна из сложных конструкций, разработанная и запатентованная Клаусом Фуксом и Руби Ширр в рамках Манхэттенского проекта, основывалась на использовании отскока от исходящего имплозионного потока, а не входящего сходящегося ударного фронта, для осуществления смешивания. Ожидалось, что такая небольшая задержка инициирования позволит добиться значительно большего сжатия.
Если в конструкциях с термоядерным усилением используются внутренние инициаторы, крайне важно, чтобы они были достаточно малыми, чем меньше, тем лучше (внешнее инициирование является наилучшим вариантом).
В оружии пушечного типа инициаторы не являются строго обязательными, но могут быть желательны, если необходимо точно контролировать время детонации оружия. В этом случае можно использовать источник полония низкой интенсивности, а также простую систему для приведения источника и бериллия в контакт при ударе пули (например, вдавливание поршня, покрытого бериллиевой фольгой, в гильзу, покрытую полонием).

___________________________________

Гордон Дафф

Гордон Дафф публиковал статьи на VT с 2008 по 2022 год. Он — ветеран морской пехоты, участник боевых действий во Вьетнаме.  Будучи ветераном-инвалидом, он десятилетиями занимался вопросами ветеранов и военнопленных.

Гордон — аккредитованный дипломат и общепризнанный один из ведущих мировых специалистов в области разведки. Он руководит крупнейшей в мире частной разведывательной организацией и регулярно консультирует правительства, сталкивающиеся с проблемами безопасности.

Дафф много путешествовал, его работы публикуются по всему миру, и он регулярно выступает на телевидении и радио в нескольких странах. Он также профессиональный повар, ценитель вина, заядлый мотоциклист и оружейник, специализирующийся на историческом оружии и его реставрации. Его деловые интересы и опыт работы связаны с энергетикой и оборонными технологиями.

• Архив Гордона: 2008-2015
• Архив Гордона: 2016-2022

Возможно, вас заинтересует