Arma nucleară cu fisiune amplificată
Termenul amplificat fisiune arma nucleară , de obicei , se referă la un tip de nuclear de fisiune arme care utilizează o cantitate mică de fuziune de combustibil pentru a crește fisiune rata materialului fisionabil și , prin urmare , puterea dispozitivului. În aceste dispozitive, neutronii eliberați de reacțiile de fuziune sunt adăugați la cei eliberați de fisiune ducând la o creștere a reacțiilor de fisiune induse de neutroni; prin urmare, rata de fisiune crește semnificativ și, în consecință, procentul de material fissil care participă la reacție crește înainte ca explozia nucleului (sau nucleului) să distrugă întregul sistem cu o creștere de până la dublul energiei eliberate. Pe de altă parte, procesul de fuziune în sine adaugă doar un procent mic la energia exploziei, aproximativ de ordinul 1%. [1]
Un alt dispozitiv care poate fi denumit „armă nucleară cu fisiune amplificată” este un tip de bombă nucleară învechit într-un singur stadiu, care folosește fuziune termonucleară la scară largă pentru a crea neutroni rapizi care pot provoca fisiune nucleară în uraniu . În studiile lor, Edward Teller și Andrei Saharov , care au dezvoltat independent ideea acestei bombe, care în orice caz nu este considerată o adevărată bombă termonucleară, deoarece procentul de energie eliberat de aceasta datorită procesului de fuziune este de numai 20 % se referă la acest dispozitiv ca „Ceas cu alarmă” și respectiv „Sloika”. [2]
Dezvoltare
Ideea amplificării a fost inițial dezvoltată între sfârșitul anului 1947 și sfârșitul anului 1949 în laboratoarele naționale din Los Alamos . [3] Principalul beneficiu al amplificării constă în reducerea dimensiunii bombelor pe care le-a permis să le realizeze, amplificarea fisiunii, de fapt, reduce timpul minim de închidere inerțial necesar unei explozii nucleare supercritice care să aibă loc prin furnizarea unui flux de neutroni repede înainte ca masa critică să fie distrusă de propria explozie. Toate acestea elimină, într-un dispozitiv de implozie nucleară, necesitatea acoperirii cu aluminiu și a manipulării (un fel de „container” al exploziei care supraviețuiește aproximativ jumătate de microsecundă, dar care joacă rolul crucial de prelungire a fazei exponențiale) a uraniului care înconjoară nucleul, precum și care au explozivi care, odată detonați, îi fac să se comprime împotriva materialului fisibil pentru a-l atinge o stare supercritică. De fapt, din moment ce nucleul comprimat nu trebuie ținut împreună mult timp, manipularea masivă a uraniului -238 poate fi înlocuită cu un scut ușor de beriliu pentru a reflecta înapoi neutronii capturați înapoi în nucleu. Adăugând faptul că, după cum sa explicat mai târziu, chiar și același miez poate fi redus la jumătate, rezultă că explozivul convențional necesar pentru a imploda întreaga masă metalică (tamperul plus miezul) este considerabil mai mic.
Pentru a vă face o idee despre miniaturizarea permisă de fisiunea amplificată, gândiți-vă doar că Fat Man , bomba aruncată pe Nagasaki la 9 august 1945 , avea un diametru de 5 m și avea nevoie de 3 tone de explozivi convenționali pentru a pune în aplicare implozia, în timp ce un bombă cu fisiune intensificată de putere egală poate fi introdusă în interiorul unui cap mic, cum ar fi un W88 (1,75 m înălțime; 0,55 m lățime și o greutate de 360 kg), pentru a fi utilizat ca etapă primară adecvată pentru declanșarea secundarului bombă termonucleară.
Amplificarea armelor nucleare moderne
În bombele de fisiune moderne, urmând funcționarea Fat Man , materialul fisibil este unit pentru a obține o valoare a masei supercritice printr-o implozie sferică cauzată de detonarea explozivilor convenționali și tehnica lentilelor explozive . În starea supercritică, mulți dintre neutronii eliberați prin fisiunea nucleelor vor induce fisiunea altor nuclee, ducând la o creștere exponențială a reacțiilor de fisiune și, astfel, la o reacție în lanț . De obicei, o reacție de acest tip consumă aproximativ 20% din combustibilul disponibil înainte ca explozia bombei să distrugă sistemul, dar acest procent depinde de configurația dispozitivului, de exemplu în Little Boy , bomba care a fost aruncată pe Hiroshima. la 6 august 1945 și care a folosit o configurație „tun”, acest procent a fost de doar 1,38%, în timp ce Fat Man , care, după cum sa menționat, a folosit o configurație „implozivă”, a fost de 17,5 ori mai eficient.
Amplificarea fisiunii dată de fuziune se realizează prin utilizarea gazelor de deuteriu și tritiu . Uneori s-a folosit și deuterid-triziid solid de litiu , dar un material gazos permite o flexibilitate mai mare și poate fi injectat, cu câteva momente înainte de implozie, într-o cavitate situată în centrul miezului materialului fisibil sau, în cazul unei bombe cu o configurație a miezului suspendat , în golul existent între miez și învelișul exterior. Locul ideal pentru amplasarea combustibilului de fuziune este, de fapt, o cavitate plasată în centrul miezului, atât pentru faptul că temperatura miezului este mai mare acolo, cât și pentru faptul că acest lucru maximizează probabilitatea captării neutronilor de către materialul fissil din jur. . Deoarece rata de topire este proporțională cu pătratul densității la o anumită temperatură, este important deci ca densitatea combustibilului să fie cât mai mare posibil, de asemenea, deoarece cu cât este mai mare densitatea atinsă, cu atât este mai mică temperatura necesară pentru declanșarea amplificării. și, prin urmare, cu cât este mai mică energia care decurge din fisiunea necesară pentru a declanșa fuziunea, care, după cum sa menționat, va amplifica fisiunea. Aceasta înseamnă că, cu un combustibil de fuziune de înaltă densitate disponibil, un miez mai mic (sau miez) poate fi utilizat pentru a obține aceeași putere.
Astfel de densități mari pot fi obținute fie folosind combustibil cu o densitate inițială deja mare (de exemplu, gaz comprimat sau hidrogen lichid), fie obținând o compresie suficient de mare în faza de implozie. Ambele metode sunt utilizate în mod obișnuit, iar armele moderne de fisiune nucleară din SUA sunt cunoscute că folosesc deuteriu de înaltă presiune și gaz de tritiu reținut în rezervoare din afara nucleului, gaze care sunt injectate în cavitate în momentele de bază înainte de detonare ca parte a secvenței de armare. Cu siguranță utilizarea surselor solide, cum ar fi hidrura de litiu, ar duce la o densitate atomică mai mare a hidrogenului, dar dezavantajul crucial ar fi acela de a fi nevoit să așeze recipientul combustibilului de fuziune în interiorul miezului și, prin urmare, să trebuiască să dezasambleze întregul dispozitiv când este necesară o reumplere a rezervorului pentru a înlocui tritiul care, fiind radioactiv, se descompune.
Când aproximativ 1% din materialul fisibil a suferit fisiune, temperatura crește suficient (în ordinea a 20-30 milioane de kelvini ), pentru a provoca o fuziune termonucleară, care produce un număr relativ mare de neutroni, accelerând ultimele etape ale lanțului și dublând aproximativ eficiența dispozitivului (adică procentul de material fissil care suferă fisiune). Neutronii eliberați prin fuziunea deuteriu-tritiu sunt de fapt extrem de energici, de aproximativ șapte ori mai mult decât media neutronilor de fisiune, ceea ce face mai probabil ca aceștia să fie absorbiți de materialul fisibil și să declanșeze o nouă fisiune. Acest lucru se datorează mai multor motive:
- Când acești neutroni energetici lovesc un nucleu fisibil, reacția de fisiune produce un număr mai mare de neutroni decât neutronii termici. În cazul plutoniului -239, de exemplu, numărul de neutroni produși este de 4,6 dacă nucleele sunt bombardate cu neutroni energetici și 2,9 dacă fisiunea este produsă în schimb de neutroni termici.
- Secțiunea transversală a fisiunii crește atât în termeni absoluți, cât și proporțional cu secțiunile transversale de împrăștiere și captare a neutronilor .
Se poate face o idee despre contribuția potențială adusă de o astfel de intensificare observând că fuziunea completă a unui mol de tritiu (3 grame) și un mol de deuteriu (2 grame) ar produce un mol de neutroni (1 gram) , care, fără a lua în considerare pierderile datorate scăpărilor sau împrăștierii, ar putea fisiona un mol de plutoniu (239 grame) producând 4,6 moli de neutroni secundari care pot, la rândul lor, fisiona alți patru moli de plutoniu (1.099 grame). Fisiunea acestor 1.338 grame totale de plutoniu în primele două generații ar duce la eliberarea a 23 kilotone de energie (aproximativ 97 TJ ), [4] și ar avea ca rezultat, singură, o eficiență de 29,7% pentru o bombă care conține 4 , 5 kg de plutoniu (adică o mică bombă tipică de fisiune). Energia eliberată prin fuziunea a 5 g de combustibil de fuziune ar fi, în acest caz, doar 1,73% din energia eliberată prin fisiunea celor 1.338 g de plutoniu. Cu toate acestea, din moment ce reacția de fisiune amplificată în lanț poate continua cu mult dincolo de a doua generație, se pot obține puteri și eficiențe totale mult mai mari. [5]
La mijlocul anilor 1950 s-a descoperit că miezurile de plutoniu ar fi deosebit de susceptibile la predenotație atunci când sunt expuse la radiații puternice din explozii atomice din apropiere, cum ar fi în cazul unui prim atac nuclear de către o națiune inamică. Aceasta, desigur, a necesitat o tehnologie care făcea armele nucleare din arsenalul lor imune la un astfel de eveniment, pentru a preveni ca acestea să fie inutile, sau chiar detonate înainte de a fi posibilă lansarea lor, printr-un atac inamic. Înainte de apariția sistemelor radar moderne, care sunt capabile să detecteze apropierea rachetelor suficient pentru ca puterea atacată să lanseze o a doua lovitură nucleară , o cale excelentă s-a găsit tocmai în amplificarea fisiunii date de la fuziune. De fapt, în astfel de dispozitive, o cantitate mult mai mică de plutoniu poate fi utilizată pentru a obține aceeași energie, suficient de mică pentru a nu fi periculoasă în caz de iradiere de la o sursă externă. [6] Tocmai acest fapt, combinat cu greutatea redusă față de puterea obținută, a condus la cele mai moderne arme de fisiune nucleară care utilizează amplificarea prin fuziune. [5] În cele din urmă, care au toate o configurație de miez suspendat , combustibilul de fuziune gazoasă este injectat între miez și învelișul exterior, unde, în timpul detonării, este comprimat împotriva miezului prin implozia învelișului exterior până când ajunge o densitate egală cu cea a hidrogenului lichid, care este foarte importantă, așa cum am menționat mai sus, pentru obținerea unei eficiențe ridicate în reacția de fuziune. [5]
Un detaliu important al armelor moderne de fisiune amplificată este și poziția sursei inițiale de neutroni care, spre deosebire de modelele vechi de bombe de fisiune, este externă nucleului și nu conține material radioactiv. De fapt, în primele bombe nucleare s-a folosit un inițiator de neutroni modular plasat, în cazul modelelor de „implozie” la centrul nucleului, sau, în cazul modelelor „de tun”, în apropierea masei țintă. În primele proiecte de armă de fisiune amplificată s-a optat pentru utilizarea unui inițiator modular sferic cu o cavitate centrală, unde gazul ar fi injectat, apoi, datorită apariției noilor tehnologii, a fost posibilă mutarea generatorului de neutroni (printre alte lucruri care nu mai conțin materiale radioactive) în afara nucleului, putând astfel, printre altele, fie să lase o cavitate mai mare care ar putea conține mai mult combustibil gazos de fuziune, fie să micșoreze miezul în sine. [7]
După cum sa menționat, puterea finală a exploziei depinde de densitatea și cantitatea combustibilului de fuziune injectat în miez chiar înainte de detonare. Prin urmare, rezultă că un control electronic al acestei injecții permite, cu același nucleu, să obțină energia dorită într-o anumită limită, permițând astfel să ai o armă și o energie variabile.
Test
După cum sa menționat, ideea amplificării a fost inițial dezvoltată la sfârșitul anilor 1940 în laboratoarele Los Alamos, dar noua tehnică a fost testată abia în 1951. În special, o primă schiță de amplificare a fost testată în timpul testului George al operației seră în timp ce primul prototip real de bombă de fisiune amplificată prin fuziune a fost testat la 25 mai 1951, în timpul testului Item , care face parte, de asemenea, din seria Seră, efectuat în atolul Enewetak , din Insulele Marshall . În Item , amplificarea fisiunii a fost realizată prin injectarea unui amestec lichid de deuteriu și tritiu în miez. [8] Testul a fost un succes, iar energia eliberată de detonarea Item a fost de 45,5 kilotoni, dublu față de ceea ce s-ar fi obținut fără amplificare. Cu toate acestea, a fost, de asemenea, evident că starea lichidă a combustibilului de fuziune a fost destul de dificil de gestionat, în special în ceea ce privește menținerea temperaturii criogenice, îngreunată de faptul că tritiul, în descompunere, a încălzit totul.
Un alt dispozitiv despre care se crede că a folosit fisiune amplificată, împreună cu alte tehnologii mai avansate, a fost cel construit ca dispozitiv principal pentru focosul XW-45 . Acest tip de dispozitiv numit Swan , a fost testat mai întâi, singur, la 22 iunie 1956, cu explozia de 15,2 kt a testului Inca , ca parte a operației Redwing , și apoi ca prima etapă a unui dispozitiv termonuclear. La 2 iulie 1956, cu explozia de 360 kt a testului Mohawk , care face parte, de asemenea, din seria Redwing. După succesul său, Swan , ale cărui dimensiuni erau foarte mici în comparație cu cele ale bombelor precum Fat Man , avea de fapt un cilindru de 22,8 cm înălțime și 11,6 cm în diametru, a devenit prima etapă primară polivalentă standardizată (cu numele de Robin ) devenind de fapt un prototip pentru toți cei care au urmat.
Unele dintre cele mai vechi modele de arme termonucleare cu o singură etapă
Proiectele de arme termonucleare timpurii, cum ar fi „Sloika” sovietică, folosită în testul RDS-6 , au folosit pe scară largă fuziunea pentru a induce fisiunea în atomii de uraniu-238 care alcătuiau uraniul sărăcit. Aceste dispozitive aveau un miez de material fisibil înconjurat de un strat de deuteridă de litiu-6, la rândul său, înconjurat de un strat de uraniu sărăcit. Configurații similare cu aceasta au fost cele ale dispozitivului Ceas cu alarmă din SUA, proiectat, dar niciodată construit, și British Green Bamboo , proiectat și construit, dar niciodată testat.
Atunci când acest tip de bombă explodează, fisiunea nucleului, fie că este uraniu îmbogățit sau plutoniu, eliberează neutroni, dintre care unii nu sunt capturați de alte nuclee ale nucleului și, ieșind din acesta, lovesc atomii de litiu-6 creând tritiul. Acesta din urmă, la temperaturile și presiunile ridicate care sunt atinse în nucleu în timpul unei fisiuni, pot suferi o fuziune termonucleară cu deuteriu, producând un neutron cu o energie de 14 MeV, mult mai mare decât cea a neutronului care a declanșat formarea. tritiu. Într-o armă ca aceasta, scopul creării acestor neutroni extrem de energici este mai presus de toate de a obține, datorită bombardamentului efectuat de aceștia asupra atomilor stratului înconjurător de uraniu-238, și fisiunea acelui uraniu. Unii dintre neutronii eliberați de acest ultim proces de fisiune vor lovi la rândul lor restul de litiu-6 care recreează tritiul și așa mai departe. Faptul de a putea utiliza uraniu-238 datorită acestui expedient a fost foarte important pentru industria de război: uraniul sărăcit era de fapt mult mai puțin costisitor decât uraniul-235 și, mai presus de toate, nu putea atinge condiții critice de masă, ceea ce îl făcea foarte puțin probabil implicarea sa în accidente potențial catastrofale.
S-a calculat că, într-un astfel de dispozitiv, cel mult 20% din putere poate proveni din fuziune, în timp ce restul se datorează complet procesului de fisiune, în plus, se crede că poate elibera o energie maximă care nu depășește un megaton. (testul RDS-6 menționat anterior a eliberat 400 de kilotone de energie). Prin comparație, o adevărată bombă cu hidrogen , precum țarul sovietic, obține aproximativ 97% din puterea sa din fuziune, iar energia sa este limitată doar de dimensiunea dispozitivului.
Întreținerea armelor nucleare cu fisiune amplificată
Cea mai provocatoare și costisitoare parte a întreținerii amplificate a armelor de fisiune este, fără îndoială, tritiul. Acest izotop radioactiv are un timp de înjumătățire de 12,355 ani, iar produsul său de descompunere este heliul-3 , unul dintre nuclizii cu cea mai mare secțiune transversală pentru captarea neutronilor. În consecință, rezervorul de gaz trebuie golit periodic de heliul produs și reîncărcat cu tritiu, aceasta datorită și faptului că heliul-3, prin absorbția neutronilor destinați să se ciocnească cu nucleele combustibilului de fisiune, ar diminua puterea 'bombă. [9] Tritiul este, de asemenea, relativ scump de produs, deoarece crearea unui singur atom necesită producerea a cel puțin unui neutron liber (în realitate, din cauza ineficiențelor și pierderilor, numărul mediu de neutroni este mai aproape de doi) folosit pentru a bombarda originalul material (de obicei litiu-6, deuteriu sau heliu-3), care astăzi se face doar în reactoare nucleare autofertilizante sau în acceleratoare de particule dedicate. Mai mult, tritiul începe să se descompună imediat, deci există pierderi inevitabile în timpul fabricării, depozitării și transportului de la locul de producție la locul de utilizare. [9]
Notă
- ^ Fapte despre armele nucleare: armele de fisiune stimulate , la isanw.org , Oamenii de știință indieni împotriva armelor nucleare. Adus la 13 iunie 2019 (arhivat din original la 8 iulie 2008) .
- ^ Richard Rhodes, "Soarele întunecat": Fabricarea bombei cu hidrogen , New York, Simon & Schuster , 1996.
- ^ Hans A. Bethe, Memorandum on the History Of Thermonuclear Program , fas.org , Federation of American Scientists , 28 mai 1952. Accesat la 16 iunie 2019 .
- ^ Nuclear Weapon Archive: 12.0 Useful Tables , at nuclearweaponarchive.org , Nuclear Weapon Archive, 17 mai 2006. Accesat la 13 iunie 2019 .
- ^ a b c Arhiva armelor nucleare: 4.3 Arme hibride fuziune-fuziune , la nuclearweaponarchive.org , Arhiva armelor nucleare. Adus la 13 iunie 2019 .
- ^ Lorna Arnold, Britain and the H-Bomb , Springer, 2001, pp. 177-181.
- ^ Richard Rhodes, The Making of the Atomic Bomb , Simon & Schuster, 1986, ISBN 0-684-81378-5 .
- ^ Operation Greenhouse - 1951 ( PDF ), pe apps.dtic.mil , Defense Nuclear Agency, 1951. Accesat la 17 iunie 2019 .
- ^ A b Carey Sublette, Secțiunea 6.3.1.2 nucleară Materiale Tritiu , la nuclearweaponarchive.org, Nuclera Arhiva arme. Adus la 15 iunie 2019 .
