Technologia broni jądrowej

Pierwsza eksplozja bomby atomowej Trinity , 16 ms po zapłonie.

Projekt broni jądrowej dotyczy broni, do której  odnosi się energia do wybuchu reakcji jądrowych -  rozszczepienie jądrowe lub -verschmelzungen -. Rozwój techniczny broni jądrowej od 1940 r. Doprowadził do powstania wielu różnych jej wariantów.

Historia, klasyfikacja i inne aspekty nietechniczne są omówione w artykule broń jądrowa .

Sposób działania

Podczas gdy konwencjonalne materiały wybuchowe pozyskują energię z chemicznej konwersji materiału wybuchowego, broń jądrowa w krótszym czasie uwalnia duże ilości energii z procesów jądrowych, które osiągają temperatury rzędu milionów kelwinów . W rezultacie wyparowuje wszelkie ciało stałe znajdujące się w pobliżu gorącego gazu. Ogrzewanie otaczającego powietrza i parujących ciał stałych prowadzi do nagłego zwiększenia objętości, co oprócz emitowanego promieniowania cieplnego prowadzi do silnej fali ciśnienia.

Zarówno rozszczepienia jądrowego i syntezy jądrowej osiągnąć swój obrót od różnicy energii w energię wiązania z nukleony z jąder atomowych zaangażowanych przed i po reakcji jądrowej. Podczas gdy energia do 14  MeV (por. Reaktor termojądrowy ), a na rozszczepienie jądrowe nawet ok. 200 MeV (por. Ciepło rozszczepienia ) jest uwalniana na fuzję jądrową , reakcje chemiczne wytwarzają energię tylko w zakresie kilku eV, w przypadku z TNT ok. 38,6 eV (patrz parametry eksplozji ) na cząsteczkę.

Bomba rozszczepiająca lub bomba misyjna

Klasyczna bomba rozszczepienia jądrowego (bomba atomowa) jest skonstruowana w taki sposób, że w zamierzonym momencie kilka części materiału rozszczepialnego , każda z osobna poniżej masy krytycznej , zostaje połączonych, a tym samym przekracza masę krytyczną. W momencie osiągnięcia masy krytycznej źródło neutronów zaczyna emitować neutrony, które wyzwalają reakcję łańcuchową rozszczepienia. Liczba neutronów nowo wytworzonych w wyniku rozszczepienia jądrowego ( rozszczepienia jądrowego) jest w konsekwencji większa w każdym pokoleniu rozszczepienia niż liczba neutronów, które uciekły z materiału i zostały w nim zaabsorbowane bez rozszczepienia, tak że szybkość reakcji jądrowej gwałtownie wzrasta. Masę krytyczną można zmniejszyć za pomocą reflektora neutronów .

Energia uwolniona w postaci bardzo szybkiego nagrzania rozdziela nuklearne materiały wybuchowe. Dlatego leżąca u podstaw reakcja łańcuchowa musi jak najszybciej pokryć cały materiał rozszczepialny, w przeciwnym razie uwalniana jest tylko niewielka część możliwej energii. Dlatego w przypadku broni na rozszczepienie - w przeciwieństwie do reaktorów jądrowych do cywilnej produkcji energii - możliwie najczystsze, łatwo rozszczepialne nuklidy, takie jak wysoko wzbogacony uran lub prawie czysty pluton ²³⁹ użyty do budowy i szybki początek poszukiwanego Überkritikalität .

Jako źródło neutronów często używany jest polon - beryl , który musi się zmieszać w odpowiednim czasie. W tej mieszaninie cząsteczki alfa emitowane przez polon reagują z berylem.

Jednym z chemicznych materiałów wybuchowych używanych do szybkiego połączenia podkrytycznych fragmentów jest Octol . Składa się z HMX i TNT zmieszanych w stosunku 7 do 3.

Zasada armaty

Schematyczne przedstawienie
bomby jądrowej według konstrukcji działa: 1. Konwencjonalne materiały wybuchowe (kordyt) przyspieszające "pocisk"
2.
Beczka 3. Pocisk z pustym uranem
4. Cylindryczny "cel"

Podkrytyczny wydrążony cylinder uranowy można wystrzelić w podkrytyczny trzpień uranowy, którego brakuje we wnętrzu tego cylindra (konstrukcja pistoletu; zasada armaty). Gotowy cylinder przekracza niezbędną masę krytyczną i rozpoczyna jądrową reakcję łańcuchową. Ze względu na konstrukcję, całkowita ilość uranu w tym układzie jest ograniczona do kilku wielokrotności masy krytycznej. Ze względu na raczej wydłużoną konstrukcję, zasada działania armaty jest odpowiednia dla wydłużonej broni jądrowej, takiej jak „Bunker Buster” (patrz poniżej) i pocisków jądrowych wystrzeliwanych z broni rurowej. Na przykład paliwo do pocisków artyleryjskich, takie jak kordyt, jest używane jako chemiczny materiał wybuchowy .

Uranu bomba Little Boy , który spadł na Hiroszimę , został zbudowany według tej metody budowy. Uznano, że jest tak niezawodny, że zrezygnowano z wcześniejszego testowego zapłonu. Bomba zawierała 64 kg uranu, która została wzbogacona do 80 procent ²³⁵ zawartości U . Masa krytyczna głowicy nuklearnej osiągnęła 25 centymetrów lub 1,35 milisekundy, zanim trzpień uranowy całkowicie spenetrował butlę uranową, przy końcowej prędkości 300 m / s.

W innych konstrukcjach rzeczywisty zestaw rozszczepienia ma w przybliżeniu kulisty kształt. Pocisk z materiału rozszczepialnego zostaje wystrzelony w sztywny cel z materiału rozszczepialnego lub dwa pociski są wystrzeliwane przeciwko sobie. Dodatkowa, sztywna i centralnie umieszczona trzecia część materiału rozszczepialnego lub implodujący środek wspomagający reakcję są częściowo omówione.

Zasada armaty nie jest odpowiednia dla plutonu inkubowanego w reaktorze konwencjonalnej elektrowni jądrowej. Jego zawartość ²⁴⁰ Pu (trudniejsza do rozdzielenia, a jednocześnie stosunkowo silne samorzutne rozszczepienie ) prowadziłaby do przedwczesnego zapłonu, a tym samym do deflagracji, gdyby zastosowano zasadę armatnią. Natomiast tak zwany pluton z broni, produkowany w specjalnie obsługiwanych reaktorach, zawiera bardzo mało ²⁴⁰ Pu.

Bomba wybuchowa

Podstawowy wygląd

Schematyczne przedstawienie metody implozji

Inna konstrukcja przedstawia bombę implozji. Bomba Fat Man zrzucona na Nagasaki została zbudowana na tej zasadzie. Jest pośrodku

Schemat wybuchu bomby implozji z wybuchowymi soczewkami

Zdjęcie wykonane przez lampę rentgenowską pokazuje sferycznie zbieżne czoło detonacji

materiał rozszczepialny ( np. pluton , ²³⁵ U lub stop obu metali) jako masa niekrytyczna , w postaci pełnej (masa podkrytyczna) lub jako wydrążona kula (podkrytyczna ze względu na geometrię, ponieważ nie ma pełnej kuli ). Wokół materiału rozszczepialnego znajduje się kilka warstw materiałów wybuchowych, takich jak trotyl . Podczas zapłonu energia wybuchu jest kierowana w kierunku środka kuli i ściska materiał rozszczepialny tak silnie, że masa staje się krytyczna. Uważa się, że bomba implozji jest bardziej skuteczna, ponieważ wybucha szybciej niż bomba działająca i może zużywać bardzo duże ilości materiału rozszczepialnego. Ponadto eksploatacja materiału wybuchowego atomowego jest większa, ponieważ materiał rozszczepialny pozostaje razem dłużej iw korzystniejszej formie podczas eksplozji.

Broń plutonowa jest możliwa tylko jako broń implozji ze względu na wyższy wskaźnik samorzutnego rozszczepienia różnych izotopów Pu i wynikający z tego przedwczesny zapłon. Sama konstrukcja jest znacznie bardziej wymagająca pod względem materiałów wybuchowych i technologii zapłonu. Ponieważ naukowcy zaangażowani w rozwój nie byli do końca pewni, w przeciwieństwie do bomby uranowej „Little Boy”, układ implozji został wcześniej przetestowany w ramach „ Trinity Test ” (Nowy Meksyk).

Nagromadzenie materiałów wybuchowych wokół rdzenia

„Trinity Gadget” z 32 wielokątnymi wybuchowymi soczewkami wokół rdzenia

Samo zbudowanie łuski z materiału wybuchowego wokół rdzenia nie przyniosło pożądanego rezultatu, ponieważ materiał wybuchowy eksploduje sferycznie wokół detonatora. Wymagana byłaby wówczas bardzo duża liczba detonatorów, aby osiągnąć dopuszczalną kompresję i nie wciskać pustej kuli w półksiężyc lub gwiazdę.

Zadaniem było zatem przekształcenie kilku rozchodzących się sferycznie frontów detonacji w jeden zbiegający się kulisto. Do tego celu nadają się dwa materiały wybuchowe o różnych prędkościach detonacji . Na skrzyżowaniu materiałów wybuchowych przód detonacji w postaci światła załamuje się w soczewce, dlatego po angielsku „soczewka wybuchowa” ( mówi się o soczewce materiałów wybuchowych ). Aby osiągnąć pożądany efekt dla bomby implozji, taka soczewka musi mieć w środku wirującą hiperboloidę wolno detonującego materiału wybuchowego, otoczoną szybko detonującym materiałem wybuchowym. Analogicznie do optyki, współczynnik załamania światła soczewki jest tym większy, im bardziej różnią się prędkości detonacji zastosowanych materiałów wybuchowych. Soczewki wybuchowe są wielokątne, dzięki czemu można je łączyć ze sobą w kulisty kształt.

Układ w "Gadżecie Trójcy" składał się z 32 wybuchowych soczewek; później używano soczewek 40, 60, 72 i 92. W zasadzie możliwe byłoby skondensowanie rdzenia za pomocą tylko jednej soczewki o złożonym kształcie. Jednak ten obiektyw byłby większy i cięższy niż powyższy. Konfiguracje, nawet jeśli łatwiej jest zapalić.

reflektor

Nowoczesna broń jądrowa ma dodatkową warstwę między konwencjonalnymi, silnie wybuchowymi materiałami wybuchowymi a rzeczywistym paliwem jądrowym, zwykle wykonanym z berylu lub czystego uranu ²³⁸ U (zubożony uran). Warstwa ta odbija neutrony ( ⁹ berylu działa nawet jako emiter neutronów); wcześniej jako reflektor używany był węglik wolframu . W ten sposób masę krytyczną można zmniejszyć zgodnie z poniższą tabelą:

Schematyczne przedstawienie bomby jądrowej według projektu implozji z reflektorem

Z drugiej strony, zwłaszcza gdy stosowany jest uran, warstwa ta opóźnia ekspansję materiału rozszczepialnego ze względu na jego bezwładność po rozpoczęciu reakcji łańcuchowej. W ten sposób materiał rozszczepialny pozostaje dłużej razem, sama reakcja łańcuchowa staje się gorętsza z powodu gęstości neutronów, a efektywność energetyczna bomby wzrasta.

Używając ²³⁸ U jako kurtki, siłę wybuchu można zwiększyć o 10 do 20 procent.

Regulacja gęstości

Schematyczne przedstawienie bomby jądrowej według projektu implozji z reflektorem i regulacją gęstości

Kolejna warstwa aluminium między materiałem wybuchowym a odbłyśnikiem służy do lepszego przenoszenia siły uderzenia konwencjonalnych materiałów wybuchowych na metal ciężki. Ponieważ materiał wybuchowy ma znacznie mniejszą gęstość niż reflektor i materiał rozszczepialny, część fali uderzeniowej wybuchu konwencjonalnego materiału wybuchowego odbija się na granicy faz. Ta część energii nie jest wykorzystywana do ściskania materiału szczelinowego. Jeśli między konwencjonalny materiał wybuchowy a odbłyśnik zostanie umieszczona warstwa o średniej gęstości, taka jak aluminium, poprawia to transfer energii do materiału szczeliny, a tym samym jego kompresję.

Pływający rdzeń

Nowoczesne konstrukcje implozji wykorzystują układy, w których materiał rozszczepialny jest podzielony na powłokę i wydrążoną kulę. Szczelina jest wypełniona gazem. Aby utrzymać wydrążoną kulę w środku łuski, zwykle instaluje się sześć aluminiowych śrub jako rozpórki. Taka konstrukcja ma tę zaletę, że cała wydrążona kula nie musi być ściskana od razu. Zamiast tego początkowo przyspieszana jest tylko niewielka masa pocisku. Otrzymuje dużą energię kinetyczną i uderza w wydrążoną kulkę z dużą prędkością. Uzupełnienie masy krytycznej następuje wówczas w bardzo krótkim czasie; wszystko, czego potrzeba, to implozja wydrążonej kuli pod naciskiem przyspieszonej powłoki. Ten projekt ma wiele różnych wariantów. W ten sposób można również umieścić szczelinę powietrzną między odbłyśnikiem a materiałem szczelinowym. Kula wewnętrzna może być wykonana jako wydrążona kula lub wykonana z litego materiału. Mogą istnieć projekty z dwiema spacjami. Śruby aluminiowe można zastąpić pianką (pianka poliuretanowa, styropian lub podobne materiały).

Schematyczne przedstawienie bomby jądrowej w oparciu o projekt implozji z pływającym rdzeniem

Rysunek obok przedstawia podstawowe cechy nowoczesnego projektu, który posiada regulację gęstości, odbłyśnik i pływający rdzeń. Takie konstrukcje wymagają skomplikowanych obliczeń matematycznych, które można przeprowadzić tylko za pomocą specjalnych programów komputerowych, aby precyzyjnie określić optymalne parametry. Metody i wyniki obliczeń oraz zastosowane programy są utajnione przez władze zbrojeniowe, a szczegóły są publikowane tylko w nielicznych przypadkach - można więc kwestionować znane wartości liczbowe. Z tego też powodu w przeszłości wysokowydajne komputery podlegały ograniczeniom eksportowym (np. Z USA). Jednak podstawowy projekt współczesnej broni jądrowej z przedstawionymi cechami jest wiarygodny i został potwierdzony przez różne źródła.

Metodę konstrukcji przypisuje się niemieckiemu szpiegowi nuklearnemu Klausowi Fuchsowi . Oprócz zalet wymienionych powyżej podczas późniejszej eksplozji, został użyty do usunięcia i dodania rzeczywistego materiału rozszczepialnego. W niektórych brytyjskich i amerykańskich projektach bomb rzeczywisty materiał rozszczepialny był przechowywany na zewnątrz bomby w taki sposób, że żaden z nich nie zostałby uwolniony w przypadku wypadku podkrytycznego. W konsekwencji nastąpiła dalsza poprawa bezpieczeństwa broni i transportu tej broni.

Przykłady

Największa bomba atomowa (broń misyjna), jaka kiedykolwiek została zdetonowana, została zbudowana przez USA z siłą wybuchową 500  kT . Pracował nad projektem implozji i wykorzystywał uran jako materiał wybuchowy jądrowy.

Od 1966 do 1980 roku Francja zbudowała i stacjonowała głowicę MR-31 , największą bombę plutonową, jaką kiedykolwiek zbudowano, o sile wybuchu około 120 kT.

Najbardziej znaną bronią jądrową opartą na projekcie implozji jest z pewnością bomba Fat Man zrzucona na Nagasaki , podczas gdy bomba uranowa Little Boy została oparta na konstrukcji pistoletu .

zapłon

Podstawy

Dla wszystkich zasad konstrukcyjnych istotne jest, aby reakcja łańcuchowa zachodziła tylko tak długo, jak długo układ jest nadkrytyczny. Aby doszło do jak największej liczby rozszczepień jądrowych, powinno być utrzymywane w stanie nadkrytycznym tak długo, jak to możliwe. Gdy tylko wytworzy się wystarczająca energia w wyniku dużej liczby rozszczepień jądrowych, materiał rozszczepialny wyparowuje, rozszerza się i reakcja łańcuchowa zostaje przerwana. Zależy to zatem od punktu zapłonu, aby optymalnie wykorzystać materiał rozszczepialny.

Układ lufy armaty staje się krytyczny, gdy dwie podkrytyczne połówki uranu zbliżyły się do pewnej odległości, czasu pierwszej krytyczności (przejścia do stanu nadkrytycznego). W przypadku układu implozji materiał jest również zagęszczany. Gdy połówki zbliżają się do siebie w przypadku ustawienia lufy armaty lub ściskania w przypadku układu implozji, układ staje się nadkrytyczny. Nawet bez reakcji łańcuchowej układ ostatecznie rozszerzyłby się ponownie tylko z powodu bezwładności konwencjonalnie przyspieszanych mas. Reakcja łańcuchowa przerywa się, gdy aranżacja staje się podkrytyczna (czas drugiej krytyczności). Ekspansja jest przyspieszana, gdy materiał rozszczepialny odparowuje. Dzieje się tak, gdy dodatkowa energia jest uwalniana z rozszczepienia jądrowego, ale tylko wtedy, gdy przekracza pewną wartość znaną jako energia Bethe Tait . Po osiągnięciu tej minimalnej energii ekspansja paliwa jądrowego przyspiesza i układ staje się ponownie podkrytyczny szybciej. Do tego momentu miało już miejsce wiele pokoleń reakcji łańcuchowej. Reakcja łańcuchowa trwa również podczas ekspansji, a mianowicie do momentu osiągnięcia w czasie drugiej krytyczności (przejścia w stan podkrytyczny). Większość energii jest uwalniana podczas kilku ostatnich generacji neutronów.

Im większa nadkrytyczność, tym dłuższa faza między osiągnięciem energii Bethe Tait a osiągnięciem drugiego punktu krytycznego i tym więcej rozszczepienia jądrowego może nadal mieć miejsce.

Aby uzyskać optymalne wykorzystanie paliwa, początek reakcji łańcuchowej należy zatem ustawić w taki sposób, aby jednocześnie uzyskać energię Bethe-Taita i maksymalną nadkrytyczność. Jeśli jednak energia Bethe Tait zostanie osiągnięta wcześniej, powstanie mniej neutronów i tylko mniejsze ilości paliwa jądrowego zostaną przetworzone.

Najgorszym przypadkiem byłoby rozpoczęcie reakcji łańcuchowej w momencie pierwszej krytyczności, ponieważ wtedy czas energii Bethe Tait zostaje osiągnięty przed osiągnięciem maksymalnej nadkrytyczności i układ rozszerza się przedwcześnie. Gdyby w tym momencie układ był tylko nieznacznie nadkrytyczny, energia wybuchu takiej bomby prawie nie przewyższałaby energii użytego chemicznego materiału wybuchowego. Jeśli jest poważnie nadkrytyczny, minie trochę czasu, zanim ponownie stanie się podkrytyczny. W tym czasie nadal może mieć miejsce tak wiele rozszczepień jądrowych, że uwolniona energia wielokrotnie przewyższa energię chemicznego materiału wybuchowego. Przede wszystkim wzrost nadkrytyczności trwa aż do osiągnięcia energii Bethe Tait. W następstwie przyspieszonej ekspansji nastąpiły dalsze podziały jądrowe.

Według Roberta Oppenheimera pierwsza eksplozja bomby implozji na bazie plutonu (test w Nowym Meksyku 16 lipca 1945 r.), Nawet w najgorszym przypadku, miałaby energię wybuchu, która nie byłaby mniejsza niż 1000 ton TNT .

Zapłon przed optymalnym czasem jest iskrą, zapłon po optymalnym czasie, o którym mowa w późnym zapłonie . Aby uzyskać optymalny punkt zapłonu, nie polega się na neutronach z samorzutnego rozszczepienia, ale w odpowiednim momencie uruchamia specjalny generator neutronów .

Przedwczesny zapłon

Po osiągnięciu masy krytycznej bomba musi zostać zdetonowana przez początkowe neutrony. Mogą one pochodzić z samego materiału rozszczepialnego w wyniku spontanicznego rozpadu jądrowego lub mogą być dostarczane przez dodatkowe źródło neutronów. W wysoko wzbogaconych ²³⁵ U około 80 milionów jąder atomowych rozpada się na sekundę i kilogram, emitując cząstki alfa, ale statystycznie generowane są tylko około dwóch neutronów na sekundę i kilogram. Statystycznie w 64 kg bomby z Hiroszimy uwolniono 0,17 neutronów między punktem krytycznym a całkowitym montażem (1,38 ms).

W przypadku bomby w Hiroszimie prawdopodobieństwo przedwczesnego zapłonu w 1945 r. Wynosiło 12%, co odpowiada prawdopodobieństwu wystąpienia początkowego neutronu w czasie 1,38 ms określonym powyżej. Aby zapobiec przedwczesnemu zapłonowi bomb zgodnie z projektem działa, konstrukcja bomby atomowej musi być wolna od innych emiterów neutronów. Tak więc ²³⁸ U (z 20 neutronami na kilogram i sekundę) powinno być unikane w kopercie; Nawet broń jądrowa, która już wybuchła w tym samym obszarze docelowym, i jej szczątkowe promieniowanie neutronowe może uniemożliwić użycie takiej bomby atomowej.

Zasada lufy armatniej nie jest już stosowana w dzisiejszych arsenałach. Głowice byłyby o wiele za ciężkie dla nowoczesnych systemów przenoszenia. Republika Południowej Afryki zbudowała sześć luf armatnich, ale po zmianie polityki na początku lat dziewięćdziesiątych ponownie je złomowała. Jest to pierwszy kraj, który całkowicie rozbroił broń nuklearną.

W przeciwieństwie do uranu, produkcja neutronów w plutonie jest wysoka ze względu na nieuniknioną proporcję ²⁴⁰ Pu. Montaż poszczególnych elementów materiału rozszczepialnego w układzie lufy działa przebiega tak wolno (rzędu milisekund), że reakcja łańcuchowa rozpoczynałaby się przy pierwszym krytycznym stanie. Kiedy osiągnięty zostanie punkt czasowy Bethe Tait, nie będzie to zbyt krytyczne i nastąpi jedynie deflagracja. Dlatego układ lufy działa działa tylko z wysoko wzbogaconym uranem, który ma niskie tło neutronowe, ale nie z plutonem.

Z drugiej strony w układzie implozji zagęszczanie odbywa się znacznie szybciej, rzędu mikrosekund. Dlatego nadaje się również do plutonu. W zależności od czystości plutonu, w wyniku spontanicznego rozpadu powstaje od około 50 000 (pluton klasy broni) do 500 000 (pluton reaktorowy) neutronów na sekundę.

Ponieważ ²⁴⁰ Pu jest formowane przez wychwyt neutronów z ²³⁹ Pu, który z kolei jest tworzony przez wychwytywanie neutronów z ²³⁸ U , im wyższe spalanie paliwa jądrowego, tym większy udział ²⁴⁰ Pu. W związku z tym reaktory, które mają produkować pluton klasy broni, działają z niewielkim stopniem wypalenia. Ze względów ekonomicznych w elektrowniach jądrowych stosuje się wysokie wypalanie. Niemniej jednak nawet pluton produkowany w elektrowniach jądrowych nadaje się do budowy broni jądrowej w ograniczonym zakresie. Prawdopodobieństwo przedwczesnego zapłonu jest większe, ale niższa energia wybuchu znacznie przewyższa energię broni konwencjonalnej. Jednak problemy techniczne są spowodowane zwiększoną radioaktywnością i ociepleniem w wyniku rozpadu radioaktywnego.

Późny zapłon i źródło neutronów

Oprócz zapłonu wyprzedzającego, broń jądrowa zgodnie z konstrukcją działa może również zapalić się stosunkowo późno, jeśli - czysto statystycznie - początkowy neutron późno wyzwala reakcję łańcuchową. W końcu prawdopodobieństwo, że bomba w Hiroszimie nie wybuchnie przed upływem 200 ms, wynosiło 0,15%. Jeśli bomba atomowa zostanie wystrzelona w swój cel z dużą prędkością, to opóźnienie może znacząco zmienić pożądane miejsce wybuchu i uwolnioną energię. Z tego powodu broń jądrowa została wyposażona w źródła neutronów, które rozpoczynają reakcję łańcuchową z większą ilością neutronów dokładnie w tym samym czasie, w którym powstała masa krytyczna.

Bomba uranowa w Hiroszimie miała również takie źródło neutronów, jak detonator bomby, kiedy była planowana. Nie można było ustalić, czy został on ostatecznie zainstalowany; naturalna radioaktywność materiału rozszczepialnego prawdopodobnie byłaby wystarczająca do wybuchu.

Źródło neutronów składało się z dwóch komponentów, berylu i polonu ²¹⁰ , umieszczonych przestrzennie od siebie. Obie substancje połączyły się, gdy uderzył pocisk uranowy i rozpoczęła się produkcja neutronów. Podobne dwuskładnikowe źródła znaleziono później w rdzeniach wczesnych bomb implozji, oddzielonych cienką membraną, która pękła podczas implozji. W nowoczesnej broni zamiast tego używa się źródła zewnętrznego.

Wydajność, rozmiar, bezpieczeństwo i waga broni

Stosunek rozszczepionego jądrowego materiału wybuchowego do całkowitej ilości jądrowego materiału wybuchowego nazywa się wydajnością.

Rozszczepienie 50 g ²³⁵ U uwalnia siłę wybuchową 1 kT. W przypadku bomby z Hiroszimy rozszczepiono około 650 g ²³⁵ U, tylko niewielki ułamek z łącznie 64 kg uranu. Pozostałe materiały wybuchowe są uwalniane do atmosfery i wraz z produktami rozszczepienia i „wtórną” radioaktywnością generowaną przez neutrony tworzą opad .

Dlatego bomby rozszczepialne zawierają więcej niż masę krytyczną, którą należy przeciąć w celu wygenerowania wystarczającej, pożądanej energii wybuchu. Masa bezpośrednio nad masą krytyczną skutkowałaby marginalną siłą wybuchu, przy 1,05-krotnej masie można spodziewać się siły wybuchu około 100 ton.

Na zasadzie prostej lufy armaty maksymalna możliwa masa jest nieco poniżej podwójnej (potrójnej) masy krytycznej. Obie połowy masy krytycznej muszą pozostać podkrytyczne przed wybuchem, aby zapobiec wypadkom radiacyjnym i przedwczesnej eksplozji podkrytycznej, tzw. Deflagracji. Maksymalny rozmiar bomb z czystym rozszczepieniem oparty na zasadzie prostego działa (bomby uranowe) jest zatem ograniczony przez maksymalną podkrytyczną masę dwóch lub trzech kawałków materiału rozszczepialnego.

Można było również połączyć więcej niż trzy lufy dział, aby wystrzelić więcej części ładunku na siebie. Jest to jednak związane ze znacznie zwiększonym wysiłkiem w celu jednoczesnego zapłonu ładunków miotających i innymi problemami z synchronizacją , ponieważ unifikacja wszystkich części ładunku musi nastąpić bardzo precyzyjnie, aby faktycznie przyczynić się do zwiększenia siły wybuchu.

Na zasadzie implozji materiał szczeliny jest dodatkowo zagęszczany. Zmniejsza to masę krytyczną, a zatem możliwe są wyższe wartości nadkrytyczne i lepsze wydajności. Ponadto układ kulisty jest zoptymalizowany geometrycznie. Ale także tutaj istnieją ograniczenia, ponieważ chemicznych materiałów wybuchowych nie można kompresować w dowolnym momencie, a masa musi być wcześniej podkrytyczna. Poza tym wykonanie zagęszczania w możliwie najbardziej kulisty sposób jest wymagającym zadaniem „z punktu widzenia robót strzałowych”. Oprócz kulistego kształtu, technicznie znane są wydrążone cylindry i inne kształty.

Ostatecznie jest to znaczna zaleta w zakresie bezpieczeństwa wynikająca z zasady implozji. Aby wywołać wybuch jądrowy, chemiczny materiał wybuchowy znajdujący się na jego zewnętrznej powłoce musi zostać zdetonowany w określonym czasie w dużej liczbie punktów, tak aby czoło wybuchu biegło z zewnątrz w kierunku ładunku jądrowego w celu jego ściśnięcia. Jeżeli w wyniku wypadku urządzenie wybuchowe zostanie zdetonowane tylko w jednym punkcie, jedyne, co ma miejsce, to wybuch chemiczny i zanieczyszczenie środowiska uwolnionym materiałem rozszczepialnym.

Ponieważ czoło wybuchu zwykle oddala się od punktu zapłonu w sposób wypukły, czoło wybuchu jest często utworzone przez warstwy różnych materiałów wybuchowych o różnych prędkościach wybuchu w taki sposób, że uzyskuje się pożądane ściśnięcie materiału rozszczepialnego. Podczas gdy wcześniejsze systemy opierały się na jednoczesnym zapłonie we wszystkich przewidzianych punktach, w nowoczesnych systemach wbudowane są określone odchylenia, które muszą być kompensowane przez nieco inne czasy zapłonu poszczególnych detonatorów. Te różnice czasowe są wprowadzane do elektroniki broni tylko za pomocą odpowiednich kodów, gdy użycie jest dozwolone (tzw. „ Permissive Action Link ”). Zmniejsza to znacznie ryzyko kradzieży lub utraty głowicy lub użycia broni niezgodnie z instrukcją, gdyż próby jej nieprawidłowego zdetonowania kończą się niepowodzeniem.

Maksymalny rozmiar broni jest dodatkowo określany przez praktyczną obsługę i bezpieczeństwo obsługi. W praktyce wzmacniacze są stosowane w broni na rozszczepienie i detonatorach bomb wodorowych, czyli niewielkich ilościach materiału fuzyjnego w krytycznej masie rozszczepienia. Neutrony uwolnione podczas fuzji powodują „gorętszą” eksplozję, więc skuteczność broni wzrasta dzięki lepszemu wykorzystaniu materiału rozszczepialnego. Jeszcze wyższe energie wybuchowe są osiągane za pomocą broni wieloetapowej, takiej jak bomby wodorowe.

²³⁸ U Rozszczepienie za pomocą ²³⁸ U reflektora lub płaszczem

Oprócz samego materiału rozszczepialnego można również zastosować odbłyśnik wykonany z niedrogiego naturalnego uranu lub zubożonego uranu ( ²³⁸ U). Ten materiał jest również oddzielany od procesu jądrowego przez neutrony i uwalnia energię. Uwolnione neutrony również podgrzewają pierwotny proces rozszczepienia, podobnie jak wzmacniacz. Wydajność ²³⁸ U w reflektorze lub płaszczu bombowym jest poniżej masy krytycznej faktycznie użytej w bombie.

W jednej z najsilniejszych amerykańskich bomb czysto rozszczepialnych ( Ivy King ) około 425 kT energii zostało uwolnione przez implozję ²³⁵ U i dodatkowe 75 kT przez częściowe rozerwanie ²³⁸ U z powłoki. Zwiększenie wydajności o ²³⁸ U w odbłyśniku jest możliwe tylko w przypadku bomb zgodnych z projektem implozji, ponieważ ²³⁸ U uwalnia dużą liczbę neutronów w wyniku samoistnego rozszczepienia, co prowadzi do przedwczesnego zapłonu z dużym prawdopodobieństwem w pistolecie projekt.

Jeśli mała bomba atomowa o pojemności ²³⁵ U zostanie zaprojektowana jako materiał rozszczepialny (na przykład „niszczyciel bunkrów” zgodnie z konstrukcją działa), pojawia się problem teoretyczny, że ²³⁵ U nie jest w pełni zaimplementowany w eksplozji na obszarze wroga, i dlatego do budowy dostępna jest kolejna bomba atomowa. Aby temu zapobiec, takiej broni jądrowej można nadać kurtkę lub balast wykonany z ²³⁸ U. Podczas eksplozji atomowej oba uranu ulegają zmieszaniu, a więc stopień czystości ulega zmniejszeniu. Aby uniknąć przedwczesnego zapłonu, ²³⁸ U należy instalować oddzielnie od urządzenia wybuchowego.

Bomby z płaszczem wykonanym z ²³⁸ U (przy zastosowaniu wzmacniacza lub bomby wodorowej) zaliczane są do broni trójstopniowej i ze względu na dużą ilość uwalnianego materiału rozszczepialnego zaliczane są do tzw. „Brudnych” bomb.

Bomba wodorowa

Bomba wodorowa Castle Bravo

Bronią syntezy jądrowej (bomby wodoru), konwencjonalny atomowy urządzenie wybuchowe ( rozszczepienie urządzenie wybuchowe) służy do doprowadzenia do syntezy jądrowej na wodoru izotopy deuter i tryt .

Pierwszy, nierealny projekt

Schematyczne przedstawienie bomby wodorowej według Classical Super Design

W podstawowej idei bomby wodorowej, która jest określana w żargonie amerykańsko-amerykańskim jako Super, a później jako Classical Super , duża ilość izotopów wodoru, trytu lub deuteru, jest umieszczona obok lub wokół urządzenia wybuchowego rozszczepienia, które działa. jako detonator. Eksplozja rozszczepialnego urządzenia wybuchowego ma podgrzać wodór do temperatury zapłonu, tak aby materiał wybuchowy ulegał zapłonowi. Fikcyjna konfiguracja została nazwana „konstrukcją budzika” ze względu na jej geometryczny wygląd.

Taki układ nie działałby z czystym deuterem, ponieważ większość energii w bombie rozszczepialnej jest generowana w postaci termicznych promieni rentgenowskich, które penetrują deuter. Temperatura byłaby wystarczająca do przeprowadzenia reakcji deuter-tryt, ale tryt jest stosunkowo drogi - zamiast bomby wodorowej tego typu można by taniej zbudować bardzo dużą bombę rozszczepialną.

Innym problemem związanym z Classical Super jest mała gęstość paliwa, ponieważ izotopy wodoru w normalnych warunkach są w stanie gazowym. Zanim wykorzystano wystarczającą ilość paliwa, eksplozja pierwotnego urządzenia wybuchowego rozszczepienia mogłaby wszystko rozsadzić.

Projekt „masy fuzyjnej” deuteru i trytu obok lub wokół rdzenia rozszczepienia jest zatem nieodpowiedni, bomba tego typu nigdy nie została zbudowana. Jednak podobna konstrukcja jest stosowana w przypadku bomby neutronowej , ponieważ wymagana jest tam tylko bardzo mała ilość trytu-deuteru, a zatem koszty pozostają niewielkie.

Teller-Ulam-Design

Schematyczne przedstawienie bomby wodorowej według projektu Tellera-Ulama:
A - pierwotne urządzenie do wybuchu rozszczepienia jądrowego
B - wtórne urządzenie do syntezy jądrowej
1 - chemiczny materiał wybuchowy
2 - ²³⁸ U-płaszcz
3 - wnęka
4 - gazowy tryt zamknięty w plutonie lub uranu kula
5 - polistyren
6 - ²³⁸ litery U osłony
7 - deuterku litowo-6-
8 - pluton
9 - powłoka odbijająca

Przedstawienie poszczególnych etapów wybuchu bomby Teller-Ulam:
A - bomba przed zapłonem; powyżej głównej bomby jądrowej; poniżej dodatkowego ładunku termojądrowego; oba zatopione w piance polistyrenowej.
B - Konwencjonalny materiał wybuchowy ściska rdzeń plutonowy w masę nadkrytyczną, inicjując w ten sposób reakcję rozszczepienia jądrowego.
C - Bomba jądrowa emituje promienie rentgenowskie, które odbijają się od wnętrza obudowy. Spowoduje to termalizację polistyrenu.
D - Pianka polistyrenowa zamienia się w plazmę i kompresuje etap stapiania. W pręcie plutonowym zachodzi reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego.
E - W wyniku kompresji i ogrzewania, 6-deuterek litu zaczyna się topić. W drugim etapie promieniowanie neutronowe rozszczepia ²³⁸ U. Kula ognia zaczyna się formować.

Teller-Ulam-Design, nazwany na cześć Edwarda Tellera i Stanisława Ulama , rozwiązuje trudności klasycznego superwizora. Rozwiązanie, znalezione po stronie sowieckiej przez Andrieja Dmitrijewicza Sacharowa , stało się również znane jako „trzeci pomysł Sacharowa”. W przypadku niezależnego rozwoju we Francji pomysł przypisuje się Michelowi Carayolowi , dla Wielkiej Brytanii kwestia pomysłodawcy jest mniej jasna (por. John Clive Ward ).

Pierwotne rozszczepialne urządzenie wybuchowe i wtórne urządzenie wybuchowe oparte na syntezie jądrowej znajdują się w obudowie wypełnionej pianką (zwykle spienionym polistyrenem ). Promieniowanie z rozszczepialnego urządzenia wybuchowego jest pochłaniane przez ściankę obudowy i tworzy cienką warstwę wysoko zjonizowanej plazmy, która nie tylko bardziej efektywnie absorbuje pierwotne promieniowanie, ale także promieniuje w zakresie rentgenowskim. To samo dzieje się z zewnętrzną powierzchnią wtórnego urządzenia wybuchowego. Wymiana promieniowania między trzema powierzchniami - cienka plazma utworzona z pianki prawie nie pochłania - jest proporcjonalna do T ⁴ i dlatego szybko kompensuje różnice temperatur; mówi się, że „ wnęka ” (zwana także po angielsku) termalizuje się .

Teraz rozprzestrzenia się nie tylko plazma z etapu rozszczepienia, ale także powierzchowne warstwy plazmy. Ich ogromne ciśnienie powoduje skierowany do wewnątrz front uderzeniowy , za którym materiał również przechodzi w stan plazmy i przesuwa się do wewnątrz. Jest to również znane jako implozja radiacyjna.

Geometria części wtórnej jest kulista lub cylindryczna, tak że fala uderzeniowa zbiega się koncentrycznie w punkcie lub w linii prostej. Powstają wtedy ekstremalne warunki (ciśnienie i temperatura), które powodują detonację drugiego etapu bomby, fuzji. Wysokoenergetyczne cząstki alfa powstałe podczas fuzji deuteru dodatkowo podwyższają temperaturę, tak że reakcja jądrowa rozchodzi się na zewnątrz jak front płomienia.

W środku części wtórnej znajduje się zwykle „świeca zapłonowa” zwana pustym cylindrem lub kulistym rdzeniem wykonanym z plutonu lub wzbogaconego uranu, który również i jednocześnie jest wprowadzany w stan nadkrytyczny przez sprężanie. Rozszczepienie służy jako dodatkowe źródło zapłonu i regulator drugiego stopnia, zwiększa się wydajność i równomierność wybuchu. Dzięki wprowadzeniu materiału zwiększającego promieniowanie do powierzchni wnęki, konfigurację można jeszcze bardziej zmniejszyć.

Podobna zasada fuzji implozji występuje również w przypadku inercyjnej fuzji ograniczającej (ICF - inercyjna fuzja ograniczająca).

Materiały wybuchowe syntezy jądrowej

Zamrożony ciekły deuter został użyty jako urządzenie wybuchowe termojądrowe w pierwszej i jedynej bombie wykorzystującej czysty deuter ( Ivy Mike ) . Jest to nieodpowiednie dla wojskowych bomb atomowych, ponieważ nakłady na chłodzenie są bardzo duże, a zatem bardzo drogie. Ponadto przechowywanie deuteru pod wysokim ciśnieniem w normalnej temperaturze jest trudne i zajmuje dużo miejsca, a zatem nie nadaje się również do broni jądrowej. Te same uwagi dotyczą mieszaniny deuteru i trytu. Ponadto tryt jest niestabilny, a jego okres półtrwania wynosi 12,3 lat i dlatego należy go regularnie wymieniać. Do produkcji trytu w reaktorach jądrowych potrzebne są również neutrony, za pomocą których pluton mógłby być również wytwarzany z uranu, który ma wyższą wydajność energetyczną.

Z tych powodów deuter jest obecnie stosowany w postaci związanej chemicznie w postaci stałej, która również wytwarza niezbędny tryt po napromieniowaniu neutronami. Ze wszystkich stałych związków wodoru najlepszym rozwiązaniem okazał się deuterek litu (LiD) , który jest w stanie stałym w normalnej temperaturze . Zawiera więcej deuteru na jednostkę objętości niż deuter ciekły, a jednocześnie ponad 20 procent deuteru w masie. Lit bierze również udział w reakcjach jądrowych i wytwarza dodatkową energię. Pierwszą próbą USA z taką "suchą" bombą był test Castle Bravo 28 lutego 1954 r. Z całkowitą siłą wybuchu 15 MT. Już 12 sierpnia 1953 roku ZSRR w pierwszym teście zapalił przenośną konstrukcję LiD. Reakcje omawianego deuteru to:

• ${\ Displaystyle \ mathrm {D + D \ rightarrow \, ^ {3} On \, (0 {,} 8192 \, MeV) + n \, (2 {,} 4497 ​​\, MeV)}}$
• ${\ Displaystyle \ mathrm {D + D \ rightarrow T + p + 4 {,} 0327 \, MeV}}$

Powstały tryt może generować szybkie neutrony w dalszej reakcji:

• ${\ Displaystyle \ mathrm {D + T \ rightarrow \, ^ {4} On \, (3 {,} 518 \, MeV) + n \, (14 {,} 07 \ MeV)}}$

Wreszcie, ³ hel produkowany mogą nadal reagować:

• ${\ Displaystyle \ mathrm {\, ^ {3} on + D \ rightarrow \, ^ {4} on + p + 18 {,} 353 \, MeV}}$

Neutrony powstające w powyższych reakcjach mogą reagować z litem:

• ${\ Displaystyle \ mathrm {\, ^ {6} Li + n \ rightarrow T + \, ^ {4} On + 4 {,} 7829 \, MeV}}$
• ${\ Displaystyle \ mathrm {\, ^ {7} Li + n \ rightarrow T + \, ^ {4} On + n-2 {,} 4670 \, MeV}}$

Ponadto zachodzą inne reakcje jądrowe, ale mają one stosunkowo niewielki udział w całej reakcji. Oba izotopy litu, ⁶ Li i ⁷ Li, mogą być używane w broni termojądrowej . Całkowite reakcje z deuterem to:

• ${\ Displaystyle \ mathrm {\, ^ {6} Li + D \ rightarrow 2 \, ^ {4} On + 22 {,} 4 \, MeV}}$
• ${\ Displaystyle \ mathrm {\, ^ {7} Li + D \ rightarrow 2 \, ^ {4} On + n + 15 {,} 1 \, MeV}}$

Jeśli w trzystopniowej bombie wodorowej do rozszczepienia w płaszczu ²³⁸ U potrzeba wielu (wolniejszych) neutronów, ⁷ Li jest tańsze. Z drugiej strony ⁶ Li jest korzystne dla wyższego uzysku energii . Lit naturalny składa się w 92,5% z ⁷ Li i 7,5% z ⁶ Li. Lit wzbogacony w ⁶ Li jest otrzymywany w procesach rozdzielania izotopów .

W sumie ⁴ pozostaje z reakcji , nieprzereagowanego deuteru i wielu neutronów. Reaktywny tryt jest prawie całkowicie zużyty w reakcjach. Na każdą megatonę siły wybuchu - jeśli zastosuje się czyste ⁶ Li i przy założeniu, że każdy atom zareaguje - musi zareagować 15,6 kg deuterku litu. Ponieważ w praktyce zużywa się tylko około połowy materiału, potrzeba 36 kg.

Ponieważ fuzja wodoru w projekcie Tellera-Ulama jest wyzwalana przez wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę, a nie - jak w przypadku starszej konstrukcji Sloika  - konieczne jest pierwsze bombardowanie neutronami z etapu rozszczepienia, ten typ bomby atomowej nazywany jest bombą termojądrową .

Broń jądrowa oparta na projekcie Tellera-Ulama jest eufemistycznie określana jako czyste bomby atomowe, ponieważ duża część swojej siły wybuchowej pochodzi z syntezy jądrowej. Fuzja jądrowa, czyli drugi etap, wytwarza znacznie mniejszą i bardziej krótkotrwałą radioaktywność niż rozszczepienie jądrowe, a mianowicie tylko tryt (patrz wzory powyżej). Pozostały jednak produkty rozszczepienia z pierwszego etapu, bomba rozszczepieniowa użyta do zapłonu syntezy, a także otaczające materiały przekształcone w radioaktywne izotopy w wyniku wychwytu neutronów , które razem tworzą opad. Bomba jest tylko „czysta” w porównaniu z czystą bombą jądrową o takim samym efekcie wybuchowym.

Trzystopniowa bomba wodorowa

Stosunek sił wybuchowych pierwszego do drugiego stopnia jest ograniczony do maksymalnie około 1: 200, często stosuje się stosunek 1:20 do 1:50. Ponieważ bomby rozszczepialne jako pierwszy stopień są ograniczone do kilkuset kT, maksymalna siła wybuchu drugiego stopnia wynosi do około 100 MT, ale zwykle nie więcej niż około 10 do 25 MT. Istnieje kilka sposobów na zwiększenie siły wybuchowej bomby termojądrowej:

• Byłoby możliwe zwiększenie masy drugiego lub trzeciego stopnia kosztem wydajności i zapalności tego stopnia. Można to osiągnąć dzięki stożkowemu układowi implozji na tym etapie i liniowej transmisji zapłonu. Zasada nie została zastosowana, ale można ją znaleźć zdalnie w drugim etapie „świecy zapłonowej”.
• Teoretycznie geometryczny układ kilku bomb detonatorowych mógłby zdetonować duży drugi i trzeci stopień. Prawdopodobnie jedna z pierwszych bomb wodorowych miała taką konfigurację, skuteczność drugiego stopnia była stosunkowo niska ze względu na „niewyważenie” detonatorów. Problemy i koszt takiego układu przeważają nad problemami.
• Kolejny stopień Tellera-Ulama mógłby zostać dodany do już istniejącego, to znaczy energia uwolniona przez pierwszy stopień syntezy jest wykorzystywana do zdetonowania kolejnego, jeszcze większego urządzenia wybuchowego (trzeciego stopnia). W przypadku rozszerzonej konfiguracji Tellera-Ulama trzeci stopień, podobnie jak drugi stopień, może składać się z fuzji lub rozszczepienia.
• Otaczający metalowy cylinder może być wykonany z uranu ²³⁸ U, produktu odpadowego ze wzbogacania uranu . Ten uran jest rozszczepiany przez szybkie neutrony (14  MeV ) z urządzenia do eksplozji termojądrowej i, ze względu na swoją ilość, dostarcza dużą część całkowitej energii. W prostej bombie atomowej rozszczepia się kilka kilogramów uranu lub plutonu. W tak zwanej „trzeciorzędowej bombie wodorowej” może znajdować się kilka ton uranu. Istnieją więc trzy etapy: ładunek wybuchowy rozszczepienia, który zapala ładunek termojądrowy, który z kolei wytwarza neutrony potrzebne do rozszczepienia uranu w trzecim etapie. Dlatego projekt jest również określany jako projekt rozszczepienia i syntezy jądrowej lub „bomba trójfazowa” (bomba FFF). Produkty rozszczepienia uranu w trzecim etapie są odpowiedzialne za dużą część skażenia radioaktywnego takiej bomby, jest to bomba wyjątkowo brudna. Na przykład amerykańska bomba testowa „ Redwing Tewa ” została zbudowana zgodnie z tą zasadą, która przy całkowitej sile wybuchu około 5 MT uzyskała siłę wybuchową 4,35 MT z rozszczepienia jądra pierwszego i trzeciego etapu (test w lipcu 20, 1956).

Określenie „trzystopniowa bomba wodorowa” lub „trzeciorzędowa bomba wodorowa” jest używane w odniesieniu do tych zasad projektowania, co może łatwo prowadzić do nieporozumień. Największa broń jądrowa zdetonowana do tej pory, bomba carska , miała dwa ładunki termojądrowe i siłę wybuchową około 50-60 megaton ekwiwalentu TNT . ²³⁸ U-powłoka została pominięta w celu granicznej określonej wybuchowej siły już silny Fallout. Z płaszczem uranowym jako czwartym stopniem , ta bomba miałaby szacunkową siłę wybuchową co najmniej 100 megaton trotylu, a skażenie byłoby katastrofalne.

Hybrydowe bomby atomowe

Hybrydowe bomby atomowe czerpią dużą część energii wybuchu z rozszczepienia jądrowego, ale wymagają składnika fuzyjnego, aby zintensyfikować rozszczepienie jądrowe. Istnieją różne metody konstrukcji tej części fuzyjnej.

Wzmocnione bomby szczelinowe

Aby zwiększyć produkcję neutronów, niewielką ilość izotopów wodoru, deuteru i trytu, można wprowadzić jako paliwo fuzyjne do środka wydrążonej kuli wykonanej z jądrowych materiałów wybuchowych; w przeciwieństwie do bomby neutronowej, w której paliwo jest umieszczone na zewnątrz urządzenia wybuchowego rozszczepienia. Typowe ilości mieszaniny deuteru i trytu wynoszą od dwóch do trzech gramów. Reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego powoduje zapłon jądrowy tych substancji pod wpływem ciśnienia i ciepła, z wytworzeniem wielu wysokoenergetycznych neutronów:

• ${\ Displaystyle \ mathrm {D + T \ rightarrow \, ^ {4} On \, (3 {,} 5 \, MeV) + n \, (14 {,} 1 \, MeV)}}$

Schematyczne przedstawienie wzmocnionej bomby jądrowej opartej na projekcie implozji

Fuzja deuteru lub trytu tylko w niewielkim stopniu przyczynia się do produkcji energii, ponieważ jeden gram trytu uwalnia mniej niż 0,2 kT siły wybuchowej. Jednak neutrony uwolnione z syntezy jądrowej rozszczepiają większą część paliwa rozszczepieniowego, a tym samym wydajność jest zwielokrotniona w porównaniu do czystej eksplozji rozszczepienia. Neutrony z jednego grama trytu mogą rozszczepić 80 gramów plutonu. Ponieważ neutrony uwalniane w wyniku fuzji jądrowej są bardzo szybkie, szczególnie duża liczba szybkich neutronów jest uwalniana podczas rozszczepiania plutonu, który z kolei rozszczepia inne jądra plutonu. W sumie około 450 gramów plutonu jest rozszczepiane przez jeden gram trytu - w porównaniu z konstrukcyjnie identyczną bombą rozszczepialną bez wzmocnienia - i uwalniają około 7,5 kT dodatkowej energii. Zwiększając siłę wybuchową bomb rozszczepialnych można z grubsza podwoić.

Technicznie mieszanina trytu i deuteru może występować jako sprężony gaz, w niskich temperaturach jako ciecz lub jako związek chemiczny. Pierwsza wzmocniona broń jądrowa przedmiotu szklarniowego USA (zdetonowana 25 maja 1951 r. Na atolu Eniwetok), zamrożona, płynna mieszanina trytu i deuteru, została użyta do zwiększenia siły wybuchowej bomby misyjnej z przewidywanej wartości (20 kT) do 45,5 kT ponad dwukrotnie. Aby uniknąć technicznie skomplikowanego chłodzenia, prawdopodobnie obecnie wybiera się sprężanie gazów. Wzmocnienie utrudnia przechowywanie broni jądrowej, ponieważ tryt jest radioaktywny i rozpada się z okresem półtrwania wynoszącym 12,32 lat. Dlatego musi być stale produkowany w reaktorach jądrowych i zastępowany w broni jądrowej. Pomimo tej trudności większość dzisiejszych bomb misyjnych - czy to jako detonatory do bomby wodorowej, czy nie - jest wzmocniona. Siła wybuchu niektórych typów broni może być dostosowywana poprzez dodawanie różnych ilości materiału wzmacniającego; Angielski „dial-a-yield”.

Nie jest jasne, czy deuterek litu jest również odpowiedni jako materiał wzmacniający, ponieważ początkowo ma on efekt pochłaniania neutronów.

Projekt Sloika (skórka cebuli)

Oprócz projektu Teller-Ulam można również zbudować bombę termojądrową o sile wybuchowej do około 700 kT zgodnie z projektem Sloika . Tutaj rozszczepialne urządzenie wybuchowe jest otoczone warstwą deuterku litu, który z kolei jest otoczony warstwą uranu (zasada naskórka cebuli). W przeciwieństwie do pierwotnego rozszczepialnego urządzenia wybuchowego, zewnętrzna warstwa uranu składa się z uranu naturalnego lub zubożonego, czyli ma wysoką zawartość ²³⁸ U.

Zasada konstrukcji skórki cebuli („sloika” lub „ciasto francuskie”) jest zbliżona do oryginalnej „Classical Super”, która otacza jedynie bombę atomową. Ostatecznie działa jak bomba wspomagająca, z dodatkowym płaszczem uranowym działającym jak brudny trzeci stopień. W zależności od grubości drugiej i trzeciej warstwy, warstwy te „jarzą się” razem iz różnym stopniem skuteczności. Stosunkowo złożoną konstrukcję, podobną do amerykańskiego „Super”, można postrzegać jako rosyjski etap wstępny lub rozwojowy do konfiguracji Teller-Ulam.

Istnieją dwie różne wersje projektu Sloika:

Wariant I (cienka warstwa)

Po zapaleniu rozszczepialnego urządzenia wybuchowego w fazie rozszczepienia powstają neutrony, które powodują następującą reakcję jądrową w warstwie deuterku litu:

• ${\ Displaystyle \ mathrm {\, ^ {6} Li + n \ rightarrow T + \, ^ {4} On + 4 {,} 7829 \, MeV}}$

Powstały tryt T reaguje z deuterem w dalszej reakcji:

• ${\ Displaystyle \ mathrm {D + T \ rightarrow \, ^ {4} On \, (3 {,} 518 \, MeV) + n \, (14 {,} 07 \ MeV)}}$

W rezultacie powolny neutron składa się z ⁶ atomów litu i atomu deuteru, które uwalniają energię do dwóch jąder helu i przekształca się w szybki neutron. Zatem cała reakcja zużywa i produkuje jeden neutron na raz. Ponieważ część neutronów wydostaje się na zewnątrz, reakcja nie może się utrzymać i gaśnie po krótkim czasie. W przypadku innych reakcji opisanych w projekcie Teller-Ulam ciśnienie i temperatura w projekcie Sloika są zbyt niskie. Jednak uciekające szybkie neutrony mogą rozszczepić jądra ²³⁸ U w warstwie zewnętrznej i z kolei uwolnić energię. Bomby atomowe tego typu zostały opracowane i przetestowane w szczególności przez Wielką Brytanię, na przykład w eksplozji próbnej „Grapple 2” 31 maja 1957 r. Pierwotna faza rozszczepienia o sile wybuchu 300 kT prowadziła przez dodatkowe warstwy do wybuchu o łącznej sile 720 kT.

Wariant II (gruba sierść)

Jeśli fuzja i zewnętrzne warstwy uranu są stosunkowo grube, do gry wchodzi inny mechanizm. W wyniku rozszczepienia jądra w zewnętrznej warstwie uranu wiele neutronów jest ponownie wyrzucanych do warstwy termojądrowej, gdzie wytwarzają tryt drugiej generacji. Reakcja warstwy ²³⁸ U w warstwie stapianej powoduje połączone spalanie obu warstw. Ponieważ w tym wariancie neutrony z zewnętrznej warstwy uranu również przyczyniają się do bombardowania warstwy deuterku litu, pierwszy etap rozszczepienia może być znacznie mniejszy. Dlatego ten wariant wymaga mniej materiału szczelinowego ²³⁵ U lub ²³⁹ Pu w pierwszym etapie i dlatego jest tańszy w produkcji. Ten projekt został wybrany w sowieckim teście nuklearnym "Joe-4" 12 sierpnia 1953 roku. W tym teście atomowym, wewnętrzny etap rozszczepienia wytworzył 40 kT z ²³⁵ U, około 70 kT z syntezy jądrowej drugiej warstwy i 290 kT z rozszczepienia jądra w trzeciej warstwie.

Ta konstrukcja nie jest czysto termojądrowym drugim stopniem, nie ma niezależnego spalania wodoru. Ta połączona reakcja rozszczepienia i fuzji przypomina zapalającą się „świecę zapłonową” w konfiguracji Tellera-Ulama: rozszczepienie jądra uranu w warstwie zewnętrznej służy do namnażania neutronów, a fuzja służy do przyspieszania neutronów. Jednak to nie pojedynczy neutron jest przyspieszany; raczej w trakcie procesu syntezy następuje zużywanie wolnego neutronu i generowanie szybkiego. Przyspieszenie neutronów jest konieczne, ponieważ ²³⁸ U można podzielić tylko z neutronami o minimalnej energii 1,5  MeV .

Inne warianty

Oprócz podstawowych typów opisanych powyżej istnieją inne warianty, które zostały tylko częściowo wdrożone:

• We wszystkich bombach dwustopniowych pierwszy etap można wykonać jako bombę wzmocnioną misyjną , która jest obecnie powszechnie stosowana.
• Dwustopniowy rozszczepienie bomba ma strukturę podobną do bomby wodoru Tellera-ulam, lecz urządzenia wybuchowego wodoru, stosuje się drugi etap rozszczepienia na podstawie projektu implozji. Więc ten drugi stopień nie jest implodowany przez chemiczne materiały wybuchowe, ale przez pierwszy stopień. Ten projekt bomby atomowej prawdopodobnie nigdy nie został wdrożony militarnie. Projekt został opracowany przez Ulama dla bomb atomowych o dużej sile wybuchu; Dopiero później uznano, że przy jego pomocy można również skonstruować bomby wodorowe. Taka dwustopniowa bomba misyjna została zdetonowana w teście „Nektar” ( Operacja Zamek ) 13 maja 1954 roku. Podobnie jak na pierwszym etapie, obowiązują warunki dotyczące masy krytycznej.
• We wszystkich bombach wodorowych (częściowo również bombach uranowych lub plutonowych) z zewnętrzną warstwą uranu można to również wykonać przy użyciu ²³⁵ U lub ²³⁹ Pu. Amerykańska bomba testowa "Cherokee" ( Operacja Redwing ) z 20 maja 1956 r. Była bombą termojądrową według projektu Tellera-Ulama, ale powłokę deuterku litu wykonano z wysoko wzbogaconego uranu.
• Cylindryczny kształt uranu implozji się możliwe i krótko testowane przez American boku podczas rozwoju H bomby.
• 

  Uszkodzona wieża z Test Ruth
  Umiarkowana broń jądrowa składa się z normalnej bomby rozszczepieniowej, w której jednak materiał rozszczepienia nie składa się ze wzbogaconego uranu lub plutonu, ale z wodorku metalu tych substancji, takich jak UH ₃ . Wodór zawarty w materiale działa jako moderator neutronów; spowalnia je, zwiększając prawdopodobieństwo, że rozszczepią inne atomy paliwa. Zmniejsza to znacznie masę krytyczną, dla uranu do mniej niż jednego kilograma. Jednak gęstość materiału rozszczepialnego jest znacznie niższa, dlatego bomba bardzo szybko traci swoją krytyczność po rozpoczęciu reakcji łańcuchowej. Kilka prób amerykańskich z tą metodą konstrukcji zakończyło się niepowodzeniem: w teście "Ruth" ( Operacja Upshot-Knothole ) 31 marca 1953 r. Bomba atomowa oszacowana na 1,5 do 3 kT osiągnęła tylko siłę wybuchową 0,2 kT i nawet nie zniszczyła ten maszt o wysokości 100 m, na którym został zamontowany. Eksperyment „Promień” z 11 kwietnia 1953 r., W którym również zastosowano wodorek uranu , ale razem z deuterem , przebiegał podobnie .

Broń jądrowa z efektami specjalnymi

Broń neutronowa

Schematyczne przedstawienie bomby neutronowej

Broń neutronowa (broń ze wzmocnionym promieniowaniem) to bomba wodorowa z paliwem deuterowo-trytowym, której konstrukcja jest zasadniczo podobna do projektu Tellera-Ulama. Konstrukcja broni jest zoptymalizowana pod kątem maksymalnej emisji neutronów i stosunkowo niskiego opadu. Amerykanin Samuel T. Cohen opracował tę broń w 1958 roku i prowadził intensywną kampanię na rzecz jej produkcji. Więc nie mógł zwyciężyć aż do 1981 roku za prezydenta Ronalda Reagana . W sumie zbudowano 700 głowic neutronowych. W czerwcu 1980 roku prezydent Francji Giscard d'Estaing ogłosił, że Francja opracuje bombę neutronową, a 21 czerwca pierwsza broń została przetestowana na atolu Moruroa . W 1988 roku Chińska Republika Ludowa przetestowała swoją pierwszą broń neutronową z siłą wybuchową 1-5 kT. Amerykańskie bomby neutronowe zostały zdemontowane w latach 1992-2003 pod rządami George'a HW Busha , Billa Clintona i George'a W. Busha . Francja zdemontowała również bomby neutronowe po zakończeniu zimnej wojny.

Broń neutronowa jest zwykle zbudowana z bardzo małego pierwotnego urządzenia wybuchowego. Na przykład amerykańska głowica Mk79 miała siłę wybuchową 1 kT, przy czym 0,25 kT zostało uwolnione w wyniku rozszczepienia jądrowego plutonu i 0,75 kT w wyniku syntezy jądrowej. Taka bomba jest również stosunkowo mała. Głowica zawiera tylko około 10 kg materiału rozszczepialnego i kilka gramów deuteru i trytu.

W porównaniu do wzmocnionej bomby atomowej, deuter-tryt nie znajduje się wewnątrz układu rozszczepienia, ale poza nim. W rezultacie tylko niewielka część neutronów emitowanych przez fuzję jądrową uderza w materiał szczelinowy, a większa część może uciec bez przeszkód. Aby zaabsorbować jak najmniej promieniowania neutronowego, nie używa się uranu jako powłoki dla materiału wybuchowego syntezy jądrowej, ale wolfram . Inne komponenty są również korzystnie wykonane z materiałów, które nie pochłaniają szybkich neutronów, takich jak chrom lub nikiel . Można również zastosować wtórne źródła neutronów.

Ponieważ fuzja jądrowa uwalnia szczególnie dużą liczbę neutronów w porównaniu z rozszczepieniem jądrowym, układ ten można wykorzystać do zbudowania bomby, która przy danej sile wybuchu uwalnia znacznie więcej neutronów niż zwykła bomba termojądrowa - stąd nazwa. Technicznie rzecz biorąc, gaz deuter-tryt byłby przechowywany pod wysokim ciśnieniem w małej kapsule o średnicy kilku centymetrów. Ze względu na magazynowanie pod wysokim ciśnieniem gaz nie musi być zamrażany.

W literaturze omawia się różne, w tym niektóre możliwe (i prawdopodobnie niemożliwe) projekty broni neutronowej. Rzeczywisty projekt używany przez bomby neutronowe jest nadal tajemnicą.

Broń neutronowa jest uważana za broń taktyczną, która zabija ludzi i inne żywe istoty poprzez promieniowanie, ale ma pozostawić budynki w większości nienaruszone. Wyższą śmiertelność z mniejszymi uszkodzeniami strukturalnymi można zrozumieć tylko w odniesieniu do innej broni jądrowej. Nawet w przypadku bomby neutronowej około 30 procent energii jest emitowane w postaci fali ciśnieniowej, a kolejne 20 procent w postaci promieniowania cieplnego (w przypadku konwencjonalnej broni jądrowej wartości te wynoszą około 50 i 35 procent). Można by sobie wyobrazić broń neutronową z mocą wybuchową bomby Hiroszima lub Nagasaki, ale ze znacznie wyższymi dawkami promieniowania. Te efekty biologiczne silnego promieniowania neutronowego są nadal słabo zbadane.

W przypadku taktycznej broni neutronowej o zwykle małej sile wybuchu można przyjąć, że większość budynków cywilnych (niezbrojnych) ulega zniszczeniu w rejonie śmiertelnego promieniowania. Skuteczność większej broni neutronowej jest kontrowersyjna, ponieważ promieniowanie neutronowe (szczególnie w wilgotnym klimacie) jest silnie osłabiane przez parę wodną zawartą w powietrzu.

Innym zastosowaniem broni neutronowej był pocisk przeciwbalistyczny . Pocisk Sprint został wyposażony w broń W66 neutronów i był przeznaczony do niszczenia zbliża głowic jądrowych w atmosferze. Zasada działania polegała na tym, że strumień neutronów wytworzony w ten sposób powinien gwałtownie podgrzać materiał szczelinowy w tarczy, a tym samym zdeformować go, aż stanie się bezużyteczny, aby zapobiec zapłonowi.

Aby zapoznać się z taktycznymi i politycznymi aspektami bomb neutronowych, zobacz także broń nuklearną . Miejsce stacjonowania w Niemczech w latach osiemdziesiątych XX wieku można znaleźć w specjalnej składzie amunicji Gießen .

Bomba kobaltowa

Bomba kobaltowa jest formą bomby solonej . Duże ilości stabilnego izotopu (w tym przypadku ⁵⁹ Co ) są wbudowane w powłokę bomby rozszczepieniowej lub termojądrowej. Te neutrony uwalniane podczas eksplozji konwersji do ⁵⁹ Co do radioaktywnego ⁶⁰ Co. Ten ma okres półtrwania 5,26 latach jego radioaktywność odpowiednio zmniejsza się w ciągu 50 lat do około jednej setnej pierwotnej wartości. ⁶⁰ Co emituje dwa kwanty gamma o wysokiej przepuszczalności na rozpad jądra . Na przykład obszar powinien być skażony radioaktywnie tak silnie i przez dłuższy czas, jak to tylko możliwe, aby wykluczyć możliwość przeżycia ludzi poza bunkrami . Nie wiadomo, czy taka bomba została kiedykolwiek zbudowana.

Brudne bomby

Termin „ brudna bomba ” (angielski. Brudna bomba ) lub „bomba radiologiczna” odnosi się do broni, której działanie polega na rozprowadzaniu materiałów radioaktywnych za pomocą konwencjonalnych materiałów wybuchowych w celu ataku w celu skażenia środowiska bez wywołania reakcji jądrowej. Broń ta albo nie ma wystarczającej ilości materiału rozszczepialnego dla masy krytycznej , nie ma odpowiedniego mechanizmu zapłonu, albo wykorzystuje izotopy promieniotwórcze, które są łatwiejsze do uzyskania i zasadniczo nie nadają się do reakcji jądrowych.

„Brudna” bomba wypełniona plutonem teoretycznie mogłaby spowodować, że obszar docelowy nie nadawałby się do zamieszkania przez długi czas z powodu zanieczyszczenia. Może zainteresować terrorystów, którzy rzeczywiście mogliby pozyskać pluton, ale tylko w ilości poniżej masy krytycznej, lub którzy z przyczyn technicznych nie byliby w stanie zbudować złożonego mechanizmu zapłonu.

Jednak kwestionuje się, czy brudne bomby na bazie plutonu byłyby rzeczywiście skuteczne w praktyce, ponieważ aktywność plutonu ²³⁹ jest niska ze względu na jego długi okres półtrwania (około 24 000 lat); izotopy krótkotrwałe, takie jak ¹³⁷ cezu lub ¹⁹² iryd, przy tej samej ilości wykazują znacznie wyższą aktywność.

Termin „brudna bomba” był również używany wcześniej w odniesieniu do bomb kobaltowych, bomb z „brudnym” drugim lub trzecim stopniem oraz bomb zdetonowanych blisko ziemi.

literatura

• Kenneth W. Ford : Budowa bomby wodorowej - osobista historia. World Scientific, Singapur 2015, ISBN 978-981-463-207-2 .
• Anton-Andreas Guha: Bomba neutronowa lub wypaczenie ludzkiego myślenia. Fischer-Taschenbuch-Verlag, Frankfurt 1978, ISBN 3-596-22042-4 .
• Smyth, Henry De Wolf . Energia atomowa do celów wojskowych . Princeton University Press, 1945 r. (Pierwszy otwarty raport rządu Stanów Zjednoczonych dotyczący broni jądrowej) ( Raport Smytha ).
• James R. Shepley, Clay Blair Jr .: Bomba wodorowa. Konflikt - zagrożenie - budowa. Przetłumaczone i zredagowane do niemieckiego wydania przez Hansa Dietera Müllera, Stuttgart 1955.
• Egbert Kankeleit, Christian Küppers, Ulrich Imkeller: Raport o przydatności broni do plutonu reaktora. Raport IANUS-1/1989.
• Carson Mark , Frank von Hippel , Edward Lyman: Explosive Properties of Reactor-Grade Plutonium. Science & Global Security, tom 4, str. 111, 1993.
• Hugh Miall: Broń jądrowa - kto tu rządzi? Macmillan, Basingstoke 1987, ISBN 0-333-44676-3 .
• Walter Seifritz : Jądrowe urządzenia wybuchowe. (Przedmowa Harolda M. Agnewa ). Thiemig, Monachium 1984.

linki internetowe

Wikisłownik: broń jądrowa  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Wikisłownik: Atomwaffe  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Wikisłownik: Broń jądrowa  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

• Broń atomowa Słowniczek A - Z Pojęcia takie jak bomba atomowa, bomba neutronowa, bomba wodorowa są łatwe do wyjaśnienia.
• Archiwum Broni Jądrowej, dawne Archiwum Broni Wysokich Energii (HEWA). Strona o broni jądrowej w Internecie.
• Często zadawane pytania dotyczące broni jądrowej Patrz w szczególności sekcja 4.0 Inżynieria i projektowanie broni jądrowej.
• Miejsce Trinity. ( Pamiątka z 15 maja 2009 w Internet Archive ). Siostrzany projekt HEWA dotyczący historii, technologii i konsekwencji uzbrojenia jądrowego.
• Dokumentacja i schematy bomby atomowej.
• Łańcuchowe reakcje jądrowe z symulacją „zasady armaty” w Unity3d na przykładzie bomby „Little Boy” na stronie beltoforion.de

puchnąć

1. ↑ Archiwum broni jądrowej , często zadawane pytania, elementy projektowania broni rozszczepiającej, rysunek 4.1.7.1.1., Carey Sublette
2. ^ A. Schaper: Kontrola zbrojeń na etapie badań i rozwoju? - Przypadek inercyjnej fuzji uwięzionej. ( Pamiątka z 19 maja 2005 r. W Internet Archive ). Science & Global Security, tom 2, str. 1-22, 1991.
3. ↑ Chiny - broń jądrowa. On: globalsecurity.org.
4. ↑ Christopher Ruddy: Wywiad z Samem Cohenem, wynalazcą bomby neutronowej. Wynalazca bomby mówi, że obronność USA cierpi z powodu polityki. W: www.manuelsweb.com. 15 czerwca 1997, obejrzano 27 września 2020 . 
5. ↑ Zimna wojna: co się stało z bombą neutronową? W: SPIEGEL ONLINE. Źródło 17 stycznia 2016 r . 
6. ^ Lista wszystkich amerykańskich broni jądrowych. (Lista wszystkich amerykańskich broni jądrowych), Archiwum broni jądrowej.

Ta wersja została dodana do listy artykułów, które warto przeczytać 29 sierpnia 2005 roku .