Урановая атомная бомба

Атомная бомба — сильно надкритичный реактор на быстрых нейтронах.

Атомные бомбы первого поколения, а также артиллерийские и стрелковые ядерные боеприпасы, имеющие ограничения по калибру оружия собраны по пушечной схеме, суть которой заключается в «выстреливании» навстречу друг другу двух блоков делящегося вещества докритиче;

ской массы.

Устройство и принцип работы урановой атомной бомбы поясним на примере бомбы «Малыш» {Mk-1, «Little boy»), сброшенной США на японский город Хиросима в 1945 г.

Рис. 1. Первые американские атомные бомбы «Малыш» и «Толстяк».

Урановый заряд в бомбе М/с-1 состоял из двух частей: мишени и снаряда. Снаряд представлял собой набор из шести урановых колец. В нём содержалось —25.6 кг — 40% всего урана. Кольца в снаряде, поддерживаемые диском из карбида вольфрама, находились внутри стального корпуса. Мишень имеет массу 38.46 кг и сделана в форме полого цилиндра. Конструктивно она выполнена в виде двух отдельных половинок. Мишень вмонтирована в корпус, служащий отражателем нейтронов. В контакте с ней находится Ро-Ве инициатор. Для производства бомбы потребовалось 64 кг обогащенного до 8о% (в среднем) урана, что составило -2,5 критические массы. Для предотвращения случайного возникновения цепной реакции в мишени содержится боровая заглушка, а снаряд вложен в боровую оболочку. Бор является хорошим поглотителем нейтронов.

Ствол, по которому перемещается урановый снаряд, крепится на резьбе к стальному корпусу мишени. Он позаимствован от 75-мм зенитного орудия и расточен по размеру снаряда до юо мм. Длина ствола равна ~2 м. В качестве метательного взрывчатого вещества используется бездымный порох. Скорость движения снаряда в стволе достигает ~зоо м/с.

24.3 Плутониевая атомная бомба.

Рис. 2. Общая схема Mk-I. Мощность ядерного заряда, работающего на принципах деления тяжёлых элементов, ограничивается сотнями килотонн. Самый мощный боеприпас, основанный на делении ядер, испытан в США 15.10.52, мощность взрыва 500 кт.

При использовании в качестве делящегося материала плутония для вызова цепной ядерной реакции применялся принцип имплозии, «взрыва вовнутрь». С помощью системы специальных линз, расходящиеся взрывные волны преобразовывались в сходящуюся сферически симметричную ударную волну, резко сжимающую шарик из делящегося материала. Эта схема подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом обычной химической взрывчатки, которой для фокусировки придаётся весьма сложная форма и подрыв производится одновременно в нескольких точках с прецизионной точностью.

Ядерный заряд плутониевой бомбы составлен из питов — недемонтируемых таблеток ядерного материала, герметично запакованных в оболочку из тутоплавкого металла. В некоторых видах оружия пит состоит из ²35U и плутония (обогащение по ²39Pu более 90%). В ядерных зарядах применяют сплав плутония с галлием (1,0% по массе), который позволяет стабилизировать при комнатной температуре наиболее пластичную кристаллическую модификацию плутония.

Простая пушечная схема, приемлемая для U, для Ри не подходит: ядерная реакция начнется преждевременно, и взрывной эквивалент окажется мизерным. Кроме того, пушечная схема требует большого количества Ри. Оружейный Ри взрывают по имплозионным схемам: взрыв вовнутрь из некритической создаёт критическую массу путём увеличения плотности плутония внешним сжатием. Мощность и коэффициент использования материала в иплозивных бомбах выше, чем в стволовых на два порядка. Схема эта сложна, требует точной организации обжима заряда.

При создании первых плутониевых бомб конструкторы столкнулись с проблемой плохого изотопного состава плутония — несколько процентов^ори. Интенсивное спонтанное деление ²4°Ри создаёт сильный нейтронный фон от заряда, что даёт дополнительную радиационную нагрузку на персонал, но главное — не позволяет создать надёжный и эффективный заряд изза преждевременной его детонации. Выходом явилось использование смешанных зарядов, включающих урановую (²³sU) и плутониевую компоненты, причём содержание плутония существенно меньше, чем урана.

Рис. 3. Плутониевая атомная бомба.

Имплозивная схема вызова неуправляемой цепной реакции — взрыв внутрь — основана на преобразовании с помощью системы специальных линз расходящихся взрывных волн в сходящуюся сферически симметричную ударную волну, резко сжимающую сферу из делящегося материала.

Основная трудность при создании имплозивного заряда — обеспечение сферически симметричной сходящейся ударной волны. Оболочка химического взрывчатого вещества (ВВ), окружавшего плутониевое ядро, разделена на отдельные блоки-линзы со своими взрывателями. В Мк. Ш было 32 такие линзы. Общая масса ВВ достигала 2300 кг, т. е. примерно половину общей массы бомбы. Баллистический корпус Мк.III имел эллиптическуто форму, отсюда и прозвище этой бомбы — «Толстяк».

Ядро бомбы «Толстяк» — набор вложенных друг в друга сфер. Внешние радиусы сфер: взрывчатая оболочка — 65 см, «толкатель"/поглотитель нейтронов — 23 см, урановый корпус/отражатель нейтронов — 11.5 см, плутониевое ядро — 4.5 см, Ве-Ро — 1 см.

Первая стушень — нейтронный инициатор (Урчин, Urchin) — представляет собой бериллиевую сферическую оболочку, диаметром 2 см и толщиной о. б см. Внутри неё находится бериллиевый вкладыш диаметром о, 8 см. На внутренней поверхности оболочки проделано 15 клиновидных щелей, глубиной 2,09 мм. Сама оболочка получена горячим прессованием в атмосфере карбонильного никеля, поверхность её и внутренней сферы покрыта слоем никеля и золота. На внутренней сфере и щелях в оболочке осаждено 50 Ки ²¹°Ро. Слои золота и никеля предохраняют Be от а-частиц, испускаемых Ро либо окружающим инициатор Ри. Инициатор закреплён на кронштейне внутри полости диаметром 2.5 см в плутониевом ядре. Урчин активизируется при достижении ударной волны центра заряда. Когда ударная волна достигает стенок внутренней полости в Ри, ударная волна из испарившегося Ри воздействует на инициатор, сминая щели с полонием и создавая эффект Манро — сильные струи вещества, которые быстро смешивают Ро и Be из внешней и внутренней сфер. сг-Частицы, испускаемые ^2ЮРо, поглощаются атомами Be, которые в свою очередь испускают нейтроны.

Плутониевый заряд (диаметр д см, масса 6,2 кг) имеет в центре полость размером 2.5 см для нейтронного инициатора. Плутоний в ядре стабилизирован в 6-фазе с низкой плотностью (плотность 15.9) при помощи сплавления его с 3% Ga по количеству вещества (о.8% по массе). Ядро собрано из двух полусфер, первоначально отлитых в заготовки, а затем обработанных при помощи горячего прессования в атмосфере карбонильного никеля. Так как плутоний химически очень активный металл, то каждая полусфера покрыта слоем Ni. Тонкая золотая прослойка (ол мм толщиной) между полусферами служит для предотвращения преждевременного проникновения струй ударной волны между полусферами, что способно преждевременно активизировать нейтронный инициатор.

Плутониевый заряд окружен слоем из природного урана массой 120 кг и диаметром 23 см, предназначенный для сохранения нейтронов. Около 20% энергии бомбы выделяется за счёт быстрого деления уранового корпуса. Ядро и корпус образутот вместе минимально подкритическую систему. Когда при помощи имплозионного взрыва происходит сжатие плутониевой сборки до 2,5 раз по сравнению с обычной плотностью [5-фазы Ри, ядро начинает содержать пять критических масс.

Окружающий уран слой алюминия (толкатель или тамплер) предназначен для уменьшения действия тейлоровой волны (быстрого понижения давления, происходящего позади детонационного фронта). Эта волна имеет тенденцию возрастать при имплозии, вызывая все более и более быстрое падение давления при схождении детонационного фронта в одну точку. Частичное отражение ударной волны происходящее на границе раздела взрывчатка /алюминий (вследствие различия плотностей: 1.65/2.71) отправляет вторичный фронт обратно во взрывчатку', подавляя тейлорову волну. Это усиливает давление прошедшей волны, увеличивая сжатие в центре ядра. Алюминиевый «толкатель» содержит в себе и долю бора. Так как бор — хрупкое неметаллическое вещество, то он содержится в форме удобного в обработке сплава с алюминием, называемого боракс (35−50% бора). Бор играет роль поглотителя нейтронов, предотвращая попадание обратно в Pu-U сборку' вылетающих оттуда нейтронов, замедлившихся в алюминии и взрывчатке до тепловых скоростей.

Взрывчатая оболочка представляет собой слой бризантного взрывчатого вещества. Эта система содержит 32 взрывные линзы, 20 из которых шестиутольные, а 12 — пятиугольные. Линзы соединяются вместе по образцу футбольного мяча, образуя сферическу’ю взрывчатую сборку. Каждая имеет з части: две из них сделаны из взрывчатого вещества (ВВ) с большой скоростью детонации, одна — с низкой. Самая крайняя часть быстродетонирутощего ВВ имеет конусообразное углубление, заполненное ВВ с низкой скоростью детонации. Эти сопряженные части формируют линзу, способную создавать крутлую, растущую ударную волну, направленную в центр. Внутренняя сторона быстродетонирующего ВВ почти покрывает алюминиевую сферу для усиления сходящегося удара. Основным быстродетонирующим ВВ была смесь 6о% гексагена очень быстродетонирующее, но плохо плавящееся бризантное ВВ, 39% тротила — хороню взрывающееся и легко плавящееся ВВ и 1% воска. «Медленным» ВВ был баратол — смесь тротила и нитрата бария (доля тола 30%) с 1% воска в качестве связующего вещества. Линзовая система подгонялась с очень малым допуском, так что её части соединялись друг с другом с точностью <1 мм, что позволило избежать возникновения неоднородностей в ударной волне. Для получения очень точной синхронизации детонаторов имелись электрически нагреваемые проводники, которые представляли собой отрезки тонкой проволоки, моментально испаряющиеся от броска тока, полученного от мощного конденсатора. В результате происходил подрыв взрывчатого вещества детонатора. Разряд конденсаторной батареи и испарение проволоки у всех детонаторов может быть произведены практически одномоментно — разница составляет +10 наносекунд. Недостаток такой системы — необходимость в больших батареях, высоковольтном источнике питания и мощного банка конденсаторов (~200 кг весом), обеспечиывающих одновременное срабатывание 32 детонаторов.

«Толстяк» представлял серьезную опасность в плане доставки и хранения в готовом к использованию состоянии, правда, даже в самом наихудшем случае опасность была все же меньшая, чем у «Малыша».

Первый ядерный боеприпас СССР. РДС-i.(Реактивный Двигатель Специальный — плутониевая бомба, собранная по имплозивной схеме, аналог МкШ (конструктор Ю. Б. Харитон, руководитель работ Л.П.Берия)), разрабатывался применительно к подвеске в самолете ТУ-4, бомболюк которого обеспечивал возможность размещения изделия диаметром до 1500 мм. Исходя из этого габарита был определен баллистический корпус бомбы РДС-1. Заряд ВВ конструктивно представлял собой полый шар и состоял из двух слоёв. Внутренний слой формировался из двуос полусферических оснований, изготовленных из отечественного сплава тротила с гексогеном. Внешний слой заряда ВВ собирался из отдельных элементов. Этот слой предназначен для формирования в основании ВВ сферической сходящейся детонационной волны.

Первый ядерный взрыв СССР был проведен 29.08.1949, а последний 24.10.1990. Программа ядерных испытаний СССР продолжалась 41 год 1 месяц 26 дней. За это время было произведено 715 ядерных взрывов, как мирного назначения, так и боевых.

Всего было изготовлено 4 бомбы типа РДС-i, но ни одна из них ни разу не сбрасывалась с самолета. Первой советской бомбой, испытанной с самолета 18.10.1951, была бомба РДС-3 мощностью 41,2 кТ. Разработанный на её основе боеприпас РДС-3Т стал первой советской авиабомбой, поступившей на вооружение авиации дальнего действия. Первой советской тактической авиабомбой стала РДС-4 «Татьяна» — вдвое меньшая по габаритам и втрое меньшая по весу по сравнению с РДС-3Т. Мощность 30 кТ.

Применение схемы имплозии не только к плутонию, но и к урану позволило создать компактное тактическое оруокие — артиллерийские снаряды, мины и т. п. Для создания имплозивного ядерного боеприпаса требуется менее 15 кг оружейного урана (обогащение более 90%). Можно использовать и менее обогащённый уран.

Рис. 4. Первая советская бомба РДС-i, мощность 22 кт.

Примером небольшого атомного снаряда является The Davy Crocket — самая маленькая ядерная оружейная система, из выпускавшихся в США. Она состоит из реактивного снаряда ХМ-388 и 120-мм, ХМ-28, либо 155-мм, ХМ-29, безоткатного орудия. Максимальная дальность стрельбы для 120-мм варианта — 2.2 км, для 155-мм — 4.5 км. Снаряд в сборе (боеголовка + корпус) имеет массу 34 кг, 75 см длины, 27.5 см в диаметре. Составляющая основу снаряда боеголовка W-54 весит лишь 23 кг, являясь самой компактной и лёгкой американской имплозионной схемой. Имеет Применение слоя бериллия уменьшает радиус плутониевого ядра. Для нижнего предела диапазона мощности (десятки тонн) достаточно просто перевести плутоний из бв a-состояние. В этом случае даже не требуется классическая имплозионная система, достаточно обеспечить гораздо.

меньшие давления в 10^-20 тыс. атмосфер, что приводит к схлопыванию кристаллической структуры.

Рис. 5. Малогабаритный ядерный боеприпас — артиллерийский 152-мм снаряд. Разработан в обводах штатного осколочно-фугасного снаряда к самоходной пушке.

Уже в 1945 г. были ясны основные недостатки созданных на тот момент ядерных устройств: низкая боеготовность, невозможность хранения в снаряженном состоянии, опасность несанкционированного срабатывания, низкая эффективность использования делящихся материалов, большой вес и габариты. Вскоре были сделаны существенные усовершенствования, позволившие увеличить мощность ядерных бомб при одновременном уменьшении их размеров и количества делящихся материалов. Вот главные из них:

• — Ро-Ве нейтронный запал, срабатывающий при его механическом сжатии, заменен на импульсный нейтронный источник, управляемый электрическим импульсом и способный выдать нужный поток нейтронов в момент наибольшего сжатия ядра из делящихся материалов;
• — применение технологии «левитирующего ядра», при которой толкатель отделяется от ядра воздушным зазором, что обеспечило значительно большую степень сжатия ядра заряда;
• — усиление заряда путём заполнения полого ядра из делящихся материалов смесью дейтерия и трития — при сжатии ядра термоядерные реакции в ДТ-смеси дают дополнительные нейтроны, увеличивающие степень выгорания делящихся материалов и мощность бомбы;
• — применение композитного ядра, состоящего из слоёв высокообогащенного *35U и ²39Pu.