СВВМИУ.ru

[Александр Баранов]

http://nuclear-weapons.nm.ru/usa/weapons/first-bombs/littleboy-fatman.htm

Первые атомные бомбы - Little Boy и Fat Man


В ходе создания атомного оружия в рамках манхэттенского проекта одновременно велись работы по созданию двух ядерных бомб - урановой и плутониевой.
Обозначение Mk-I "Little Boy" Mk-III "Fat Man"

Ширина
0.7 м
1.5 м

Длина
3 м
3.2 м

Масса
4 т
4.63 т

Заряд
15-16 кт
урановый
21 кт
плутониевый



После проведения испытания первого ядерного заряда "Gadget" (прототипа плутониевой бомбы "Толстяк" - FatMan) следующим, готовым к применению был урановый "Малыш" (LittleBoy). Именно он и оказался сброшенным на Хиросиму 6 августа 1945. Изготовление еще одного "Малыша" потребовало бы месяцев накопления урана, поэтому второй сброшенной бомбой стал "Толстяк", собранный на острове Тиниан незадолго до своего использования.

Первоначальная сборка Fat man'а происходила на базе ВМФ Солтвеллс, Калифорния. Окончательная же досборка и установка плутониевого ядра была произведена на острове Тиниан (Tinian), в Тихом океане, где и завершилась постройка первого боевого плутониевого заряда. Второй после Хиросимы удар изначально должен был бы быть нанесен по Кокуре (Kokura), через несколько дней после первой атаки, однако из-за погодных условий бомбардировке подвергся город Нагасаки.

Урановая атомная бомба Little Boy.
Урановый заряд в бомбе состоит из двух частей: мишени и снаряда. Снаряд диаметром 10 и длинной 16 сантиметров представляет собой набор из шести урановых колец. В нем содержится около 25.6 кг - 40% всего урана. Кольца в снаряде поддерживаются диском из карбида вольфрама и стальными пластинами и находятся внутри стального корпуса. Мишень имеет массу 38.46 кг и сделана в форме полого цилиндра диаметром 16 см и длиной 16 см. Конструктивно она выполнена в виде двух отдельных половинок. Мишень вмонтирована в корпус, служащий отражателем нейтронов. В принципе, использованное в бомбе количество урана дает критическую массу и без отражателя, однако его наличие, как и изготовление снаряда из более обогащенного урана (89% U-235) чем мишень(~80% U-235), позволяет увеличить мощность заряда.

Процесс обогащения урана происходил в 3 этапа. Вначале на термодиффузионной установке происходило обогащение природной руды (0.72% урана) до 1-1.5%. Далее следовали газовая диффузионная установка и последняя стадия - электромагнитный сепаратор, на котором уже производилось разделение изотопов урана. Для производства "малыша" потребовалось 64 кг обогащенного урана, что составляет ~2.5 критические массы. К лету 1945 года было накоплено около 50 кг 89%-ного U-235 и 14 кг 50%-ного. В итоге, общая концентрация составила ~80%. Если сравнить эти показатели с плутониевым ядром, масса Pu-239 в котором составила всего ~6 килограммов, содержащих в себе примерно 5 критических масс, становится виден главный недостаток урановго проекта: трудность обеспечения высокой надкритичности делящегося вещества, вследствие чего низкую эффективность оружия.
Для предотвращения случайного возникновения цепной реакции в мишени содержится боровая заглушка, а снаряд вложен в боровую оболочку. Бор является хорошим поглотителем нейтронов, таким образом увеличивается безопасность при перевозке и хранении снаряженного боеприпаса. Когда снаряд достигает цели, его оболчка отлетает, а заглушка в мишени выбрасывается из нее.
Собранная оболочка бомбы состоит из корпуса из карбида вольфрама (служащим отражателем нейтронов), окруженного стальной рубашкой диаметром примерно 60 см. Общая масса такой конструкции - около 2.3 т. В просверленное в рубашке отверстие установлен карбидный корпус, в который вмонтирована мишень. В днище этого отверстия могут находится один или несколько бериллиево-полониевых инициаторов. Ствол, по которому перемещается урановый снаряд прочно крепится на резьбе к стальному корпусу мишени,
позаимствован он от 75-мм зенитного орудия и расточен по размеру снаряда до 100 мм. Длина ствола составляет примерно 2 м, масса - 450 кг, а казенной части - 34 кг. В качестве метательного взрывчатого вещества используется бездымный порох. Скорость движения снаряда в стволе достигает около 300 м/с, для приведения его в движение требуется действие силы не менее 300 кН.
Little Boy был чрезвычайно небезопасной в хранении и транспортировке бомбой. Детонация, пусть даже и случайная, метательного взрывчатого вещества (приводящего в движение снаряд), вызывает ядерный взрыв. По этой причине воздушный наблюдатель и специалист по вооружению С. Парсонс принял решение загрузить порох в бомбу только после взлета. Впрочем, при достаточно сильном ударе при падении снаряд может прийти в движение и без помощи пороха, что способно привести к взрыву от нескольких тонн до полной мощности. Little Boy представляет опасность и при попадании в воду. Уран, находящийся внутри - несколько критических масс в общей сложности, разделен воздухом. При попадании внутрь воды, она может сыграть роль посредника, приводя к цепной реакции. Это приведет к быстрому расплавлению или небольшому взрыву с выбросом большого количества радиоактивных веществ.
Сборка и применение Little Boy.
Первые компоненты снаряда были закончены в Лос-Аламосе 15 июня 1945, полностью же они были изготовлены к 3 июля.
14 Июля Little Boy и урановый снаряд к нему были отгружены на судно "Индианаполис" и 16 числа отправились на о. Тиниан, Марианские о-ва. Корабль прибыл на остров 26 июля.
24 Июля было закончено изготовление мишени для бомбы и 26-го эти компоненты были отправлены тремя самолетами C-54 из Альбукерке и прибыли на Тиниан 28-го.
31 Июля мишень со снарядом установлены внутрь бомбы. Ядерная атака намечена на следующий день, 1 августа, но приближающийся тайфун заставил перенести операцию на 5 дней.
5 Августа бомба загружается в B-29 №82 "Enola Gay".
6 Августа:
00:00 Последнее совещание, цель - Хиросима. Пилот - Тиббетс (Tibbets), 2-й пилот - Льюис (Lewis).
02:45 Бомбардировщик взлетает.
07:30 Бомба полностью готова к сбросу.
08:50 Самолет летит над японским островом Сикоку.
09:16:02 Little Boy взрывается на высоте 580 м. Мощность взрыва: 12-18 кт, по поздним оценкам - 15 кт (+/- 20%).
При такой мощности взрыва та высота, на которой он был подорван, оптимальна для давления ударной волны 12 psi (фунтов/квадратный дюйм), т.е. для максимизации области, подвергнутой давлению 12 psi или большему. Для разрушения зданий города достаточно давления в 5 psi, чему соответствует высота ~860, таким образом, при установки такой высоты жертвы и разрушения могли бы быть еще большими. Из-за неясности в определении мощности и большого количества причин, могущих вызвать уменьшение мощности взрыва высота выбиралась умеренно низкой, как в случае с маленьким по силе зарядом. Высота в 580 м оптимальна для взрыва в 5 кт.
Плутониевая атомная бомба Fat Man.
Ядро бомбы представляет собой набор вложенных друг в друга сфер. Здесь они перечисляются в порядке вложенности, приведены размеры для внешних радиусов сфер:
взрывчатая оболочка - 65 см,
"толкатель"/поглотитель нейтронов - 23 см,
урановый корпус/отражатель нейтронов - 11.5 см,
плутониевое ядро - 4.5 см,
бериллиево-полониевый нейтронный инициатор - 1 см.
Нейтронный инициатор.
Первая ступень - нейтронный инициатор, называемый также Урчин (Urchin), представляет собой бериллиевую сферическую оболочку, диаметром 2 см и толщиной 0.6 см. Внутри нее находится бериллиевый вкладыш диаметром 0.8 см. Общий вес конструкции составляет около 7 граммов. На внутренней поверхности оболочки проделано 15 клиновидных щелей, глубиной 2.09 мм. Сама оболочка получена горячим прессованием в атмосфере карбонильного никеля, поверхность ее и внутренней сферы покрыта слоем никеля и золота. На внутренней сфере и щелях в оболочке осаждено 50 кюри полония-210 (11 мг). Слои золота и никеля предохраняют бериллий от альфа-частиц, испускаемых полонием либо окружающим инициатор плутонием. Инициатор закреплен 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 плутонии, ударная волна из испарившегося плутония воздействует на инициатор, сминая щели с полонием и создавая эффект Манро (Munroe) - сильные струи вещества, которые быстро смешивают полоний и бериллий из внешней и внутренней сфер. Альфа-частицы, испускаемые Po-210, поглощаются атомами бериллия, которые в свою очередь и испускают нейтроны.
Плутониевый заряд.
Девятисантиметровая сфера, с полостью в центре размером 2.5 см для нейтронного инициатора. Данную форму заряда предложил Роберт Кристи (Robert Christy) для уменьшения ассиметрии и нестабильности при имплозии.
Плутоний в ядре стабилизирован в дельта-фазе с низкой плотностью (плотность 15.9) при помощи сплавления его с 3% галлия по количеству вещества (0.8% по массе). Преимущества использования дельта-фазы по сравнению с более плотной альфа-фазой (плотность 19.2) состоят в том, что дельта-фаза ковкая и податливая, в то время как альфа-фаза ломкая и хрупкая, кроме того, стабилизация плутония в дельта-фазе позволяет избежать усадки при охлаждении и деформации заготовки после литья или горячей обработки. Может показаться, что использование для ядра материала с более низкой плотностью может быть невыгодным, так как применение более плотного материала предпочтительнее из-за повышения эффективности и снижения количества требуемого плутония, но это оказывается не совсем так. Дельта-стабилизированный плутоний подвергается переходу в альфа-фазу при относительно низком давлении в десятки тысяч атмосфер. Давление в несколько миллионов атмосфер, возникающее при имплозионном взрыве совершает этот переход наряду с остальными явлениями, возникающими при таком сжатии. Таким образом, с плутонием в дельта-фазе происходит большее увеличение плотности и больший ввод реактивности, чем это происходило бы в случае с плотной альфа-фазой.

Ядро собрано из двух полусфер, вероятно первоначально отлитых в заготовки, а затем обработанных при помощи горячего прессования в атмосфере карбонильного никеля. Так как плутоний химически очень активный метал, а, кроме того, представляющий опасность для жизни, каждая полусфера покрыта слоем никеля (либо серебра, как сообщалось для ядра Gadget'а). Это покрытие создало неприятность с ядром Gadget'а, так как быстрое гальванопокрытие плутония никелем (или серебром) привело к образованию раковин в металле и непригодности его к использованию в ядре. Бережная шлифовка и наслаивание слоев золота восстановили полученные полусферами дефекты. Тем не менее, тонкая золотая прослойка (около 0.1 мм толщиной) между полусферами была в любом случае необходимой частью проекта, служащая для предотвращения преждевременного проникновения струй ударной волны между полусферами, что могло бы преждевременно активизировать нейтронный инициатор.
Урановый корпус/отражатель нейтронов.
Плутониевый заряд окружен корпусом из природного урана массой 120 кг и диаметром 23 см. Этот корпус образует семи сантиметровый слой вокруг плутония. Толщина урана обусловлена задачей сохранения нейтронов, так, слоя в несколько сантиметров достаточно для обеспечения торможения нейтронов. Более толстый корпус (превышающий по толщине 10 см) дополнительно обеспечивает значительное сохранение нейтронов для всей конструкции, однако, эффект "временного поглощения" присущий быстрым, экспоненциально развивающимся цепным реакциям уменьшает выгоды от использования более толстого отражателя.
Около 20% энергии бомбы выделяется за счет быстрого деления уранового корпуса. Ядро и корпус образуют вместе минимально подкритическую систему. Когда при помощи имплозионного взрыва происходит сжатие сборки до 2.5 раз по сравнению с обычной плотностью, ядро начинает содержать около четырех-пяти критических масс.
"Толкатель"/поглотитель нейтронов.
Окружающий уран слой алюминия, толщиной 11.5 см весит 120 кг. Основное назначение этой сферы, называемой "толкателем", состоит в уменьшении 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 (композиция "Б")/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 сам по себе бор хрупкое неметаллическое вещество, трудное в применении, весьма вероятно, что он содержится в форме удобного в обработке сплава с алюминием, называемого боракс (35-50% бора). Хоть общая его доля в оболочке невелика, бор играет роль поглотителя нейтронов, предотвращая попадание обратно в плутониево-урановую сборку вылетающих оттуда нейтронов, замедлившихся в алюминии и взрывчатке до тепловых скоростей.
Взрывчатая оболочка и детонационная система.
Взрывчатая оболочка представляет собой слой бризантного взрывчатого вещества. Ее толщина около 47 см, а масса по меньшей мере 2500 кг. Эта система содержит 32 взрывные линзы, 20 из которых шестиугольные, а 12 - пятиугольные. Линзы соединяются вместе по образцу футбольного мяча, образуя сферическую взрывчатую сборку, около 130 см диаметром. Каждая имеет 3 части: две из них сделаны из взрывчатого вещества (ВВ) с большой скоростью детонации, одна - с низкой. Самая крайняя часть быстродетонирующего ВВ имеет конусообразное углубление, заполненное ВВ с низкой скоростью детонации. Эти сопряженные части формируют действующую линзу, способную создавать круглую, растущую ударную волну, направленную в центр. Внутренняя сторона быстродетонирующего ВВ почти что покрывает алюминиевую сферу для усиления сходящегося удара.
Линзы изготавливались точным литьем, так что взрывчатка должна была быть расплавлена перед использованием. Основным быстродетонирующим ВВ была "композиция Б", смесь 60% гексагена (RDX) - очень быстродетонирующее, но плохо плавящееся бризантное ВВ, 39% тротила (TNT) - хорошо взрывающееся и легко плавящееся ВВ и 1% воска. "Медленным" ВВ был баратол - смесь тротила и нитрата бария (доля тола обычно 25-33%) с 1% воска в качестве связующего вещества.
Состав и плотность линз точно контролировались и оставались неизменными. Линзовая система подгонялась с очень малым допуском, так что ее части соединялись друг с другом с точностью менее 1 мм, для избежания неоднородностей в ударной волне, но выравнивание поверхности линз было даже более важно, чем подгонка их друг к другу.
Для получения очень точной синхронизации детонаторов, у стандартных детонаторов отсутствовали комбинации первичных/вторичных ВВ и имелись электрически нагреваемые проводники. Эти проводники представляют собой отрезки тонкой проволоки, которые моментально испаряются от броска тока, полученного от мощного конденсатора. Происходит подрыв взрывчатого вещества детонатора. Разряд конденсаторной батареи и испарение проволоки у всех детонаторов может быть произведено практически одномоментно - разница составляет +/-10 наносекунд. Обратная сторона такой системы - необходимость в больших батареях, высоковольтном источнике питания и мощного банка конденсаторов (называемого X-Unit, около 200 кг весом), предназначенных для одновременного срабатывания 32 детонаторов.
Готовая взрывчатая оболочка помещается в корпус из дюралюминия. Конструкция корпуса состояла из центрального пояса, собранного из 5 обработанных дюралевых отливок, и верхней и нижней полусфер, образующих законченную оболочку.
Конечная стадия сборки.
Финальный проект бомбы предусматривает особую "крышку", через которую в конце закладываются делящиеся материалы. Заряд может быть изготовлен целиком, за исключением вставки плутония с инициатором. В целях безопастности, сборка завершается непосредственно перед практическим применением. Удаляется дюралевая полусфера вместе с одной из взрывных линз. Нейтронный инициатор устанавливается между плутониевыми полусферами и крепится внутри 40-килограмового уранового цилиндра и, затем, вся эта конструкция вкладывается внутрь уранового отражателя. Линза возвращается на свое место, к ней подключается детонатор, сверху прикручивается на свое место крышка.
Fat Man 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 Little Boy. Критическая масса ядра с урановым отражателем составляет 7.5 кг плутония для дельта-фазы, и только 5.5 кг для альфа-фазы. Любая случайная детонация взрывной оболочки может приводить к сжатию 6.2-килограмового ядра Fat Man'а в надкритическую альфа-фазу. Предполагаемая мощность взрыва от такого несанкционированного срабатывания заряда будет составлять от десятков тонн (грубо говоря на порядок больше, чем заряд взрывчатки в бомбе) до пары-другой сотен тонн тротилового эквивалента. Но главная опасность кроется от потока проникающей радиации во время взрыва. Гамма-лучи и нейтроны, могут стать причиной смерти или тяжелого заболевания намного дальше зоны распространения ударной волны. Так, небольшой ядерный взрыв в 20 тонн вызовет смертельную дозу облучения в 640 бэр на расстоянии 250 м.
Перевозка Fat Man'а из соображений безопасности никогда не осуществлялась в полностью собранном виде, бомбы завершали непосредственно перед применением. В следствии сложности оружия на этот процесс требовалось по меньшей мере пара дней (с учетом промежуточных проверок). Собранная бомба не могла долго находится в работоспособном состоянии из-за разряда батарей X-Unit'а.
Очертания боевой плутониевой бомбы в основном состоят из конструкции экспериментального Gadget'а, упакованного в стальную оболочку. Две половины стального эллипсоида крепятся к бандажу взрывной системы вместе с X-Unit'ом, батареями, предохранители и пусковая электроника размещены на передней стороне оболочки.
Как и в Little Boy, высотным запалом в Fat Man'е служит радиолокационная дальномерная система "Атчис" (Archies - ее антенны можно видеть сбоку на фотографиях Little Boy'я). При достижении зарядом нужной высоты над землей (установлена на 1850+-100 футов) она выдает сигнал к детонации. Кроме него, бомба оснащена еще и барометрическим датчиком, предотвращающим взрыв выше 7000 футов.
Боевое применение плутониевой бомбы.
Окончательная сборка Толстяка проходила на о. Тиниан.
26 Июля 1945 плутониевое ядро с инициатором отправлено на самолете C-54 с авиабазы Киртлэнд на Тиниан.
28 Июля ядро прибывает на остров. В этот день три B-29 отправляются из Киртлэнда на Тиниан с тремя предварительно собранными Fat Man'ами.
2 Августа - прибытие B-29. Дата бомбардировки определена как 11 августа, цель - арсенал в Кокуре. Не-ядерная часть первой бомбы оказалась готова к 5 августа.
7 Августа приходит прогноз о неблагоприятных для полета 11 числа метеоусловиях, дата полета сдвигается на 10, затем - на 9 августа. Из-за сдвига даты, ведутся ускоренные работы по сборки заряда.
8-го утром сборка Fat Man'а завершается, к 22:00 он загружен в B-29 "Block's Car".
9 Августа:
03:47 Самолет взлетает с Тиниана, цель определена как Кокурский арсенал. Пилот - Чарльз Свини (Charles Sweeney).
10:44 Время подлета к Кокуре, но цель невидна в условиях плохой видимости. Огонь зенитной артиллерии и появление японских истребителей вынуждают прекратить поиски и повернуть в сторону запасной цели - Нагасаки.
Над городом оказался слой облачности - как и над Кокурой, горючего оставалось только на один заход, поэтому бомба была сброшена в первый подходящий просвет в облаках в нескольких милях от назначенной цели.
11:02 Происходит взрыв на высоте 503 м вблизи границы города, мощность по данным измерений 1987 года - 21 кт. Несмотря на то, что взрыв произошел на границе населенной части города, число жертв превысило 70 000 человек. Были разрушены и оружейные производства Мицубиси.


По материалам The High Energy Weapons Archive

Добавлено спустя 1 минуту 49 секунд:

http://msalimov.narod.ru/Nucle.htm

Альтернативный способ инициирования
термоядерной реакции

Весь прошлый век прошел под знаком увлечения естественными науками. Самым модным направлением была физика. В середине века публикации по ядерной физике в популярных журналах составляли не менее половины от их общего количества. Интерес публики подогревался фундаментальными достижениями ученых и все тогда ждали чуда - скорого открытия управляемого термоядерного синтеза ядер легких элементов, сулящего дармовую энергию в неограниченном количестве.

Термояд оказался крепким орешком и опьянение наукой вскоре прошло. Наступил похмельный синдром, который выражается теперь в повальном увлечении "практической" магией. Элита переключилась на политологию, средние слои - на психологию и социологию, а остальные продолжают с удвоенной силой верить в чудеса (по степени увлечения это: экстрасенсорика, религия, уфология и т.п.).

После этого вступления станет понятным тот интерес, который был у меня в прошлом к ядерной физике, тем более, что я, как военный дозиметрист, имел непосредственное отношение к этим излучающим радиацию изделиям. Это обстоятельство не обошлось без последствий для здоровья. Все дальнейшее изложение основано на доступных материалах, так что всякие шустряки, вроде шпионов, и их уездные антиподы могут спать спокойно.
Для эффективного протекания реакции синтеза ядер легких элементов используется энергия взрыва атомной бомбы в качестве инициатора реакции. Вследствие того, что атомный взрыв продолжается менее микросекунды, в качестве ядерных реакций синтеза должны быть выбраны такие реакции, "зажигание" которых требует тоже не более микросекунд. Ассортимент таких реакций ограничен. Одна реакция, которая может быть непосредственно инициирована атомным взрывом - это термоядерная реакция между дейтерием и тритием, то есть между тяжелым и сверхтяжелым изотопами водорода.
D + T = He + n + E;

Разработка водородной бомбы. Предварительный теоретический анализ показал, что термоядерный синтез легче всего осуществить в смеси дейтерия и трития. Приняв это за основу, ученые США в начале 1950 приступили к реализации проекта по созданию водородной бомбы. Первые испытания лабораторного ядерного устройства, напоминающего собой больше заводской цех с холодильниками для перевода дейтерия и трития до конденсированного состояния, были проведены на полигоне Эниветок весной 1951. Но термоядерный синтез был лишь частичным. Значительный успех был достигнут 1 ноября 1951 при испытании массивного ядерного устройства, мощность взрыва которого составила 4-8 Мт в тротиловом эквиваленте.
Первая настоящая водородная авиабомба была взорвана в СССР 12 августа 1953, а 1 марта 1954 на атолле Бикини американцы взорвали более мощную (примерно 15 Мт) авиабомбу. С тех пор обе державы проводили взрывы усовершенствованных образцов мегатонного оружия.
Механизм действия водородной бомбы. Последовательность процессов, происходящих при взрыве водородной бомбы, можно представить следующим образом. Сначала взрывается находящийся внутри оболочки водородной бомбы заряд-инициатор термоядерной реакции (небольшая атомная бомба), в результате чего возникает нейтронная вспышка и создается высокая температура, необходимая для инициации термоядерного синтеза. Академик А.Д.Сахаров предложил использовать термоядерную начинку в виде устойчивого в обычном состоянии твердого вещества, а не в виде сконденсированных изотопов водорода, как у американцев. Твердые химические соединения изотопов водорода (равнокомпонентные смеси дейтерия и трития), гидриды лития, позволили скомпоновать термоядерное устройство в виде транспортабельной авиабомбы. Академик В.Л.Гинзбург еще более упростил проблему - нейтроны бомбардируют вкладыш из дейтерида лития – химического соединения дейтерия с литием (используется изотоп лития с массовым числом 6). Литий-6 под действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий.
Таким образом, атомный запал создает необходимые для синтеза материалы непосредственно в самой приведенной в действие бомбе.
Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все большее и большее количество изотопов водорода. Вероятность того, что два ядра вступят во взаимодействие, характеризуется "сечением реакции", измеряемом в барнах (1 б = 10^–24 см2 ). Сечение реакции – это площадь эффективного поперечного сечения ядра, в которое должно "попасть" другое ядро, чтобы произошло их взаимодействие. Сечение реакции дейтерия с тритием достигает максимальной величины (5 б), когда взаимодействующие частицы имеют энергию относительного сближения порядка 200 кэВ. При энергии 20 кэВ сечение становится меньше 0,1 б. При дальнейшем повышении температуры могла бы начаться реакция между ядрами дейтерия, характерная для чисто водородной бомбы.
Все реакции, конечно, протекают настолько быстро, что воспринимаются как мгновенные. Термоядерный синтез сопровождается колоссальным энерговыделением на единицу массы реагирующих веществ (примерно в 10 миллионов раз большим, чем в химических реакциях). Но наиболее вероятная реакция реализуется в равнокомпонентной смеси дейтерия и трития (DT-смесь). К сожалению, тритий радиоактивен и, ввиду короткого периода полураспада (T1/2 = 12,3 года) в природе практически не встречается. Его получают искусственным путем в реакторах деления, а также как побочный продукт в реакциях с дейтерием.
Однако отсутствие в природе трития не является препятствием для использования DT – реакции синтеза, т.к. тритий можно производить (по предложению Гинзбурга), облучая изотоп 6Li образующимися при синтезе нейтронами: n + 6Li = 4He + t.
Таким образом, если окружить термоядерную начинку слоем 6Li (в природном литии его содержится 7, то можно осуществить полное воспроизводство расходуемого трития. И хотя на практике часть нейтронов неизбежно теряется, их потерю легко восполнить, вводя в оболочку такой элемент, как бериллий, ядро которого, при попадании в него одного быстрого нейтрона, испускает два.
Деление, синтез, деление (супербомба). На самом деле в бомбе описанная выше последовательность процессов заканчивается на стадии реакции дейтерия с тритием. Далее разработчики бомбы предпочли использовать не синтез ядер, а их деление. В результате синтеза ядер дейтерия и трития образуются гелий и быстрые нейтроны, энергия которых достаточно велика, чтобы вызвать деление ядер урана-238 (основной изотоп урана, значительно более дешевый, чем уран-235, используемый в обычных атомных бомбах). Быстрые нейтроны расщепляют атомы урановой оболочки супербомбы. Деление одной тонны урана создает энергию, эквивалентную 18 Мт. Энергия идет не только на взрыв и выделение тепла. Каждое ядро урана расщепляется на два сильно радиоактивных "осколка".
Благодаря уникальной конструкции и описанному механизму действия оружие такого типа может быть сделано сколь угодно мощным. Оно гораздо дешевле атомных бомб той же мощности.

Известно, что среди главных характеристик атомной бомбы - критическая масса, материал и форма делящегося материала, то есть атомный взрыв возможен лишь при достижении критической массы, которая, например, для плутония составляет от 2,5 до 10 кг, в зависимости от формы заряда и чистоты плутония. А для калифорния это всего 2,5 грамма, но калифорний искусственный и нестабильный элемент, и все мечты военных о создании атомной пули физики быстро развеяли.
Взрыв обычных химических веществ в этом отношении хотя и намного продолжительнее атомного, но сокрушительно проигрывает ему в концентрации энергии. Для осуществления термоядерного микровзрыва дейтерий-тритиевой мишени необходимо создать давление, превышающее 5.10^14 Па. Обычная взрывчатка при детонации дает 10^11 Па.
Возникает физическое противоречие: желание увеличить продолжительность воздействия взрыва с целью увеличения ассортимента реакций ограничивается низкой концентрацией энергии. Следовательно, нужно не увеличивать кинетическую энергию, а искать обходные пути.

Поиск обходных путей - общепринятый метод в изобретательстве (этот сайт создан изобретателем), поэтому появление заявки (пусть на уровне хобби) на изобретение нельзя считать случайным. Заявка № 93017151/25(016519) Способ термоядерного синтеза с приоритетом от 02.04.1993 г.
Импульсное воздействие лазерного луча на смесь гидрида (дейтерия и трития) лития, вроде бы зажигает термоядерную реакцию, но поддержать ее сколько-нибудь продолжительное время не может. Идею использования кумулятивных зарядов для подрыва термоядерного боеприпаса "кухонного образца" впервые высказал отец американской водородной бомбы Эдвард Тейлор. По его словам, достаточно взять кусок 2-х дюймовой водопроводной трубы, внутрь поместить ампулу с тритием, а по концам трубы разместить кумулятивные заряды, и кухонный термояд готов. Там же было предостережение: при удачной конструкции кухонного термоядерного боеприпаса экспериментатор рискует испариться вместе с окружающим ландшафтом.

В физическом журнале вычитал о способе сжатия кристалла гидрида легкого металла сверхвысоким давлением на алмазной наковальне при нормальной температуре. Утверждается, что при этом высока вероятность эффекта туннелирования, что, в свою очередь, обуславливает достаточно интенсивное слияние изотопов водорода. Алмазная наковальня имеет микроскопические размеры и результаты инициирования термоядерной реакции таким способом имеют только теоретическое значение.
Если слияние ядер возможно при ударном взаимодействии и при нормальной температуре, то почему не использовать энергию взрыва кумулятивных зарядов? Может ли энергия кумулятивной струи обеспечить квантовый эффект - подбаръерного туннелирования за счет сжатия струи гидрида металла до состояния вырожденного газа?
Ситуация оказывается не столь безнадежной прежде всего потому, что поведение атомных ядер описывается не классической, а квантовой механикой: даже если частица не может перескочить потенциальный барьер сверху, все же есть некоторая вероятность, что она пройдет сквозь него. Этот чисто квантовый эффект называют подбарьерным туннелированием.
Можно предположить, что увеличение энергии — не единственный способ увеличить вероятность туннелирования. Можно попробовать уменьшить сам барьер! А это уже классический способ химического катализа реакций, позволяющий при нормальных условиях провести реакции, которые без катализатора требуют высоких температур.
Идея состоит в том, что, хотя мы не в состоянии избавиться от положительных зарядов ядер, можно до некоторой степени нейтрализовать их отрицательными. Давайте посмотрим, что произойдет, если поместить ядра изотопов водорода в облако противоположно заряженных частиц, скажем, электронов.
Весьма вероятно, что в некоторый момент времени рядом с ядром окажется электрон, и тогда суммарный заряд такой комбинации частиц будет нулевым. А пока сохраняется такая ситуация, второе ядро может подойти к первому, не испытывая при этом отталкивания. Конечно, частицы находятся в постоянном движении, и благоприятная для сближения ядер комбинация очень быстро нарушается.
Но если взять усредненное по различным положениям частиц состояние, то экранирование зарядов все же скажется. Оно проявится в том, что потенциальный барьер взаимного отталкивания ядер станет — опять же в среднем — более узким. И тогда можно будет считать, что взаимодействие ядер определяется уже не законом Кулона, а законом Дебая. Получается, что из-за экранирования проходить барьер стало легче, то есть мы сумели катализировать реакцию синтеза. Этот эффект тем сильнее, чем больше плотность электронного облака. Для наших целей она должна быть чрезвычайно велика — примерно 10^25 электронов в см3. Для сравнения: в самом плотном, электронном газе в металлах эта величина в тысячи раз меньше; то же можно сказать и о достигнутой сейчас рекордной плотности горячей плазмы (при сжатии вещества лазерным излучением) — она недостаточно велика для практически значимых результатов.

Вообще, принцип компенсации зарядов широко распространен в природе. Так, несмотря на то, что атомы состоят из положительных ядер и отрицательных электронов, в целом они ведут себя как нейтральные частицы. Однако их размеры столь велики по ядерным масштабам, что это свойство не помогает ядрам осуществить слияние.
Возьмем один из гидридов легких металлов — соединение бора с водородом (декаборан). В качестве образующего гидрид бора выберем такой его изотоп, который способен поглощать медленные нейтроны и, становясь при этом радиоактивным, сразу разваливаться на части. А вместо водорода используем дейтерий, тритий или их смесь. Итак, получим кристалл такого гидрида.
Ядро металла, поглотив нейтрон, делится, и его осколки разлетаются в стороны с около световыми скоростями. Это оказывается столь неожиданным для электронов, составлявших оболочку пережившего крушение ядра, что они не успевают сразу среагировать на его исчезновение и на некоторое время задерживаются в теперь уже дефектной — без центрального атома — ячейке кристалла.
Что же получилось? Самого атома уже нет, а его электроны остались. И в этот момент в данном месте будет много избыточных электронов, среди которых вынуждены блуждать ядра изотопов водорода. А значит, создается благоприятная обстановка для экранирования их зарядов. Однако столь желанные для нас лишние электроны попытаются как можно быстрее покинуть ячейку, где их вдруг стало чересчур много, и, чтобы продлить действие плотного электронного облака, надо постараться их удержать.
Для этого предварительно подвергнем кристалл сверхвысокому давлению, например, в струе кумулятивного заряда. Тогда атомы в нем настолько тесно упакуются, что между ними как бы не останется просветов, через которые могли бы проскочить электроны. Расчеты показывают, что тут требуются давления в несколько миллионов атмосфер (Опубликованы в Журнале технической физики, т. 61, вып. 8, 1991).
Самой интересной чертой этого множества заряженных частиц является то, что оно ведет себя как целостная квантовая система — квазимолекула, которая обладает огромным числом возможных состояний. Перебрать все допустимые конфигурации шести ядер и нескольких десятков электронов не под силу и суперкомпьютеру, но нас интересуют только те, которые перспективны с точки зрения ядерного синтеза.
Итак, ядра водорода устремляются к центру ячейки, но по мере их сближения возникает отталкивание, так что в результате они расположатся на расстоянии в 0,2— 0,4 ангстрема от центра. Для слияния ядер наиболее выгодна такая позиция, когда два из них находятся вблизи центра, а остальные четыре окружают их, образуя внутреннюю оболочку ячейки.
Можно предположить, что в кумулятивной струе, во-первых, средняя плотность электронов в ячейке достигнет той самой величины 10^25 см3, которая, как было сказано, требуется для эффективного экранирования.
Во-вторых, из-за большого числа электронов, участвующих в образовании химической связи между двумя ближайшими к центру ядрами, равновесная дистанция между этими ядрами будет в 10—20 раз меньше, чем в обычных водородсодержащих соединениях, и составит примерно 0,1 ангстрема.
В-третьих, так как электроны относятся к фермионам (подчиняются статистике Ферми — Дирака, при которой в каждом квантовом состоянии может находиться не более одной частицы), для них не хватает нижних энергетических уровней и они выталкиваются на верхние, причем сохраняют большую энергию столь долго, сколько существует вся квазимолекула.
Все вместе эти особенности поведения электрон-ядерного коллектива должны, благодаря чисто химическим эффектам, привести к достаточно интенсивному слиянию ядер — вероятность туннелирования становится примерно такой, какая требуется для практической применимости этого процесса. А это значит, что при ударном взаимодействии кумулятивных струй, можно провести реакцию синтеза в кристалле гидрида бора, точнее — в радиационном дефекте этого кристалла.

Таким образом, можно предположить, что туннелирование будет происходит за счет преодоления кулоновских сил отталкивания между ядрами при экранировании (компенсации) электронами положительных зарядов ядер дейтерий-тритий в вырожденном газе. Это газ, в котором частицы тождественны в проявлении волновых свойств, то есть это квантовый газ. Вырождение газа наступает, когда длина волны частицы соответствует энергии теплового движения и становиться сравнимой со средним расстоянием между частицами (равновесное расстояние около 0,1 ангстрема). Средняя плотность электронов в вырожденном газе достигает величины 10^25 см3, достаточной для эффективного экранирования сил отталкивания ядер изотопов водорода. В образовании связи между двумя ядрами изотопа водорода (термоядерный синтез) участвуют электроны вырожденного газа. Электроны с нижних энергетических уровней выталкиваются на верхние с сохранением высокой энергии (тождественность частиц), пока сохраняется состояние вырожденного газа. Таким образом, благодаря особенностям поведения электронов и ядер в вырожденном газе вероятность подбаръерного туннелирования возростает и способствует слиянию ядер (ядерный синтез).
Вырожденный (квантовый) газ, как было сказано, может образоваться из гидрида лития или бора при сжатии в обратноконической выемке одиночного кумулятивного заряда, когда скорость истечения струи, образованной из гидрида металла, возрастает до 100 км/сек, а температура в струе доходит до 300 тыс. градусов. При последующем ударном взаимодействии встречных струй происходит скачкообразный рост температуры и дальнейшее уплотнение (сжатие) струи, которая обладает свойствами вырожденного газа. В уплотнившемся сгустке вырожденного газа начинается слияние ядер дейтерия и трития с образование нейтронов и выделением энергии. Нейтроны захватываются ядрами бора с последующим распадом на устойчивые ядра бериллия и гелия, при этом дополнительно выделяется энергия. Начиная с момента ударного взаимодействия встречных струй, рост температуры и давления происходит не только за счет преобразования кинетической энергии, но и в результате термоядерных реакций в сгустке, то есть процесс слияния ядер приобретает лавинообразный характер.

Ближе всего по уровню концентрации энергии для этой цели, как было сказано, могут оказаться кумулятивные заряды, в частности, заряды с отражающими линзами или фигурными полостями.

1 - короткоимпульсный детонатор;
2 - отражающая линза из сверхтвердого материала;
3 - облицовка из декаборана (термоядерная начинка);
4 -обратноконический кумулятивный заряд;
5 - обратноконическая выемка кумулятивного заряда.
Отражение взрыва от линз ведет к наращению мощности кумулятивной струи, которая еще больше увеличивается при обратноконической форме выемки кумулятивного заряда. Одновременный (короткоимпульсный) подрыв нескольких кумулятивных зарядов, расположенных равномерно на поверхности сферы соплами (выемками) навстречу друг к другу, позволит еще больше увеличить концентрацию энергии в центре сферы, то есть в точке встречи кумулятивных струй. Наиболее плотная упаковка 14 кумулятивных зарядов достигается при расположении их в сфере, выемками (соплами) попарно навстречу друг к другу.

Даже в одиночной кумулятивной струе "сминаются" внутренние оболочки электронов, о чем свидетельствует рентгеновское излучение, сопровождающее подрыв обратноконического кумулятивного заряда с отражающей линзой, то есть образуется вырожденный газ. Высокая концентрация энергии может быть достигнута в фигурной замкнутой полости кумулятивного заряда. Фигурная полость образуется вращением Архимедовой спирали. При взрыве кумулятивного заряда давление в центре фигурной полости достигает 1- 5 млн. атмосфер.

Увеличение продолжительности сжатого состояния вещества при ударном воздействии встречных кумулятивных струй расширяет число возможных претендентов на термоядерный синтез ядер. Возможность слияния ядер водорода с ядрами легких элементов ограничена уменьшением эффективного сечения ядерной реакции для протона. Использование не водорода, а его изотопов - дейтерия и трития увеличивает эту возможность.

К тому же водородные соединения элементов (гидриды) для хранения и использования более предпочтительны, чем сам водород, так как расстояние между ядрами атомов водорода в его соединениях меньше, чем между ядрами в самой молекуле водорода. Иными словами, плотность упаковки ионов водорода в его соединениях выше, что видно при сравнении их плотности. Как указывалось выше, академик Сахаров А.Д. выбрал гидриды лития (дейтерия+трития) для начинки водородной бомбы. А вот какой дурак обозвал гидрид лития гудроном (так в войсках заставляли называть гидрид лития), остается загадкой. Стремясь всех переплюнуть по мощности взрыва (достигли мощности почти в 50 мегатонн), разработчики водородной бомбы увеличивали количество гидрида лития и урана-238, пока бомба не потеряла устойчивость в дежурном режиме, и встал вопрос о ее замене. Заменили на менее мощную, но более устойчивую, и оказалось, что надобность в дозиметристах отпала. Это обстоятельство дало мне шанс на демобилизацию, и я этим шансом воспользовался.

А теперь конкретика. К примеру, среди соединений бора с водородом имеются стабильные (во времени) и твердые вещества - декаборан В10Н14. Если заменить водород на его изотопы дейтерий+тритий, то получим исходное вещество для облицовки обратноконической выемки или фигурной полости кумулятивных зарядов. Бор выбран здесь не случайно. Реакция ядра атома бора с протоном (ядром атома водорода) протекает с выделением энергии и требует не очень больших энергетических затрат для инициирования.
р + В = Ве + Не + Е;
Существует другая реакция, которая тоже идет с выделением энергии, но требует постороннего источника нейтронов:
n + B = Li + He + E;
А в ядре изотопов водорода (дейтерия и трития) нейтронов явный переизбыток и, связанная с этим нестабильность ядра, что по настоящему нам (дозиметристам) отравляло жизнь (в прямом и переносном смыслах). Кроме того, выбор бора обусловлен еще тем, что вышеприведенные реакции могут быть инициированы ударной волной даже обычного взрывчатого вещества. Так, по крайней мере, утверждается в популярных изданиях.

Добавлено спустя 53 секунды:

http://www.refstar.ru/data/r/print.file/id.20504_1.html

Специзделие
Самые экзотические ядерные заряды
разрабатывались для стрелкового оружия

Недавно группа физиков из Техаса
опубликовала результаты экспериментов по военному использованию бомбы из
изомера гафния. В техасском эксперименте возбужденное ядро гафния облучали
рентгеновскими лучами - и немедленно высвобождалось в 60 раз больше
энергии, чем было затрачено на инициирование взрыва. Энергия выделялась в
виде смертельного для живых существ гамма-излучения. По разрушительной
(бризантной) способности 1 грамм гафния эквивалентен 50 кг тротила. Новое
оружие вписывается в доктрину безопасности Буша, в которой предусмотрено
применение атомных мини-бомб, так называемых мини-ньюков.
Проблема создания атомного оружия сверхмалых калибров не нова. Им активно
занимались и в США, и в СССР начиная с конца 60-х годов. Однако все работы
по этой теме были строго засекречены, и только после перехода
Семипалатинского полигона под юрисдикцию Казахстана и рассекречивания части
архивов стали известны некоторые интересные подробности.
В протоколах испытаний были найдены упоминания об экспериментах, при
которых выделение энергии обозначено как "менее 0,002 кт", то есть двух
тонн взрывчатки! Несколько документов были поистине сенсационными. Речь в
них шла об атомных боеприпасах для стрелкового вооружения - спецпатронах
калибров 14,3 мм и 12,7 мм для крупнокалиберных пулеметов
метов, но самое потрясающее - были там и патроны калибра 7,62 мм! Правда,
ядерные патроны предназначались не автомату Калашникова АКМ, а другому
детищу легендарного конструктора - пулемету Калашникова, ПКС. Патрон для
этого пулемета и стал самым маленьким в мире ядерным боеприпасом.
Радикального уменьшения размеров, веса и сложности конструкции удалось
достичь благодаря применению не обычного для ядерных бомб урана или
плутония, а экзотического трансуранового элемента калифорния - точнее, его
изотопа с атомным весом 252. После обнаружения этого изотопа физиков
ошеломило то, что основным каналом распада у него было спонтанное деление,
при котором вылетало 5-8 нейтронов (для сравнения: у урана и плутония - 2
или 3). Первые оценки критической массы этого металла дали фантастически
малую величину- 1,8 грамма! Правда, дальнейшие эксперименты показали, что
ее реальное значение оказалось заметно больше.

Наработка взрывом
Однако в распоряжении ученых были лишь микрограммы этого материала.
Программа получения и накопления калифорния - отдельная глава в истории
ядерного проекта СССР. О секретности проекта говорит хотя бы тот факт, что
практически никому не известно имя ближайшего сподвижника Курчатова,
академика Михаила Юрьевича Дубика, которому и было поручено в кратчайшие
сроки решить проблему наработки ценного изотопа. Разработанная академиком
технология до сих пор остается секретной, хотя кое-что все-таки стало
известно. Советскими учеными-ядерщиками были изготовлены специальные мишени-
ловушки нейтронов, в которых при взрывах мощных термоядерных бомб из
плутония, извлеченного из отработанного ядерного топлива, получался
калифорний. Традиционная наработка изотопов в реакторе стоила бы гораздо
дороже, так как при термоядерных взрывах плотность потока нейтронов в
миллиарды раз больше. Из выделенного калифорния была изготовлена начинка
уникальных пуль - деталь, напоминающая заклепку или гантель. Крошечный
заряд специальной взрывчатки, расположенной у донышка пули, сминал эту
штуку в аккуратный шарик, за счет чего достигалось сверхкритическое
состояние. В случае пуль калибра 7,62 мм диаметр этого шарика составлял
почти 8 мм. Для срабатывания взрывчатки использовался контактный
взрыватель, специально разработанный для этой программы. В итоге пуля
получилась перетяжеленной, и для того чтобы сохранить привычную для стрелка-
пулеметчика баллистику, пришлось изготовить и специальный порох, который
давал пуле правильный разгон в стволе пулемета.

Недолговечные патроны
Но это еще не все трудности, которые предстояло преодолеть создателям
уникального боеприпаса. Главная проблема, которая в итоге решила его
судьбу, - тепловыделение. Все радиоактивные материалы греются, и чем меньше
период полураспада, тем сильнее тепловыделение. Пуля с кали-форниевым
сердечником выделяла около 5 ватт тепла. Из-за разогрева менялись
характеристики взрывчатки и взрывателя, а при сильном разогреве пуля могла
застрять в патроннике или в стволе, или, что еще хуже, самопроизвольно
сдетонировать.
Поэтому патроны хранились в специальном холодильнике, представлявшем собой
массивную (толщиной около 15 см) медную плиту с гнездами под 30 патронов.
Пространство между гнездами было заполнено каналами, по которым под
давлением циркулировал жидкий аммиак, обеспечивая пулям температуру около
минус 15 градусов. Эта холодильная установка потребляла около 200 ватт
электропитания и весила примерно 110 кг, поэтому перевозить ее можно было
только на специально оборудованном уазике. В классических атомных бомбах
система теплосъема является составной частью конструкции, но тут она по
необходимости была внешней.
Однако даже замороженную до минус 15 пулю нужно было использовать в течение
30 минут после извлечения из термостата, то есть зарядить в магазин, занять
позицию, выбрать нужную цель и выстрелить. Если это не происходило вовремя,
патрон нужно было вернуть в холодильник и снова термостатировать. Если же
пуля пробыла вне холодильника больше часа, то она подлежала утилизации.

Из пулемета по танкам
Другим непреодолимым недостатком стала невоспроизводимость результатов.
Энерговыделение при взрыве каждого конкретного экземпляра колебалось от 100
до 700 килограммов тротилового эквивалента в зависимости от партии, времени
и условий хранения, а главное - материала цели, в которую попадала пуля.
Дело в том, что сверхмалые ядерные заряды взаимодействуют с окружающей
средой принципиально иначе, чем классические ядерные заряды. Не похож
результат и на обычную химическую взрывчатку. Ведь при взрыве | тонны
химической взрывчатки образуются тонны горячих газов, равномерно
нагретых до температуры в две-три тысячи градусов. А тут - крошечный шарик,
который никак не может передать окружающей среде энергию ядерного распада.
Поэтому ударная волна получалась довольно слабой по сравнению с химической
взрывчаткой такой же мощности, а вот радиация, наоборот, получала намного
большую долю энергии. Из-за этого стрелять нужно было на максимальную
прицельную дальность пулемета, но даже и в этом случае стреляющий мог
получить заметную дозу облучения. Так что максимальная очередь, которую
разрешалось выпустить, была ограничена тремя выстрелами.

Впрочем, и одного выстрела обычно было достаточно. Несмотря на то, что
активная броня современных танков не позволяла такому боезаряду пробить
защиту насквозь, мощное энерговыделение нагревало место попадания до
испарения компонентов брони и оплавления металла, так что гусеницы и башня
намертво приваривались к корпусу. Попав же в кирпичную стену, такая пуля
испаряла около кубометра кладки, и здание обрушивалось.
Наиболее странным был эффект от попадания пули в бак с водой. Ядерного
взрыва при этом не происходило - вода замедляла и отражала нейтроны.
Медленные нейтроны делят ядра более эффективно, и реакция начинается до
того, как пуля ударится о стенку бака, а это приводит к разрушению
конструкции пули из-за сильного нагрева. Полученный эффект пытались
применить для защиты танков от сверхминиатюрных ядерных боеприпасов,
навешивая на них так называемую "водную броню", а проще, емкости с тяжелой
водой.

Мирный атом
Реализация этой программы дала много интересных научных результатов. Но
запас калифорния, "наработанного" во время сверхмощных ядерных взрывов,
неуклонно таял. После введения моратория на испытание ядерного оружия
проблема встала еще острее: калифорний из реактора стоил гораздо дороже, а
объемы его производства были невелики. Конечно, военных не остановили бы
расходы, если бы они чувствовали острую потребность в таком оружии.
Генералы, однако, были в сомнении, что и послужило причиной прекращения
этой программы незадолго до смерти Брежнева.
Срок хранения уникальных калифорниевых пуль не превышал шести лет, так что
ни одна из них не дожила до нашего времени. Калифорний из них был изъят и
использован для чисто научных целей, таких, например, как получение
сверхтяжелых элементов.

[Зубатов]

Саша, интересная в познавательном смысле информация.
_________________
Ищите и найдёте!

[Мороз Денис]

Сборище террористов!
_________________
Семь футов под килем! (Или под КИЛТОМ)
Старый стал - забыл!!!

[Александр Баранов]

Испытание заряда 50 Мт - "кузькина мать".



Заряд:
100 Мт

Вес:
27 т

Длина:
8 м

Диаметр:
2 м

Время:
11:32 30 Октября 1961 (msk)

Место:
Новая Земля

Тип взрыва:
Воздушный, высота 4 км

Мощность взрыва:
50 Мт

Сила взрыва в 100 Мт обеспечит полное уничтожение прилегающей территории на расстоянии в 35 км, серьезные повреждения на 50 км и ожоги третьей степени на дистанции в 77 км. Такое оружие способно разрушить целый регион - мегаполис со всеми пригородами.
Максимальная мощность бомбы 100 Мт для испытания была снижена вдвое, заменой урановой оболочки третьей ступени заряда на свинцовую. Это снизило вклад урановой части с 51.5 до 1.5 Мт. Однако заряд мощностью в 50 Мт все равно является максимальным из когда-либо произведенных и испытанных.
Бомба имеет трехступенчатую схему. Выход 50% мощности обеспечивался термоядерной частью, а вторые 50% - за счет деления урановых корпусов третьей и второй ступеней нейтронами термоядерной реакции.
Создание.
К разработке устройства приступили после совещания с Хрущевым 10 июля 1961, на котором тот объявил о начале проведения осенью крупной серии испытаний. В состав группы по разработки входили Андрей Сахаров, Юрий Трутнев, Виктор Адамский, Юрий Бабаев, Юрий Смирнов.
До этой серии максимальным зарядом, испытанным в СССР был 2.9-мегатонный. В 1961 году готовились к проверки устройства в 4, 10 и 12.5 Мт. Решение о создании супербомбы Хрущев принял дабы "показать империалистам, что мы умеем". Безусловно, наработки по конструированию сверхкрупных зарядов уже существовали, но учитывая рекордную мощность и кратчайшие сроки разработки, становится ясно, что командой создателей проделана колоссальная работа.
Устройство было закончено и испытано уже через 112 дней после встречи с Хрущевым. "Кузькину мать" требовалось показать как можно скорее. Разработка шла ускоренными темпами. На команду разработчиков оказывалось большое давление, усилившееся с публичным объявлением о предстоящем испытании и планами приурочить его к закрытию XXII съезда КПСС. Где-то в середине августа принимается решение по подрыву уменьшенного до мощности 50 Мт заряда, о предстоящем испытании сообщается США. Публичное заявление по поводу планирующегося супервзрыва сделано Хрущевым в речи посвященной возобновлению испытаний 1 сентября 1961 года (в тот же день произведено первое испытание из этой серии).
Для ускорения процесса велись приближенные и оценочные расчеты, шедшие одновременно со сборкой. Сборка происходила на железнодорожной платформе, на которой бомба и была доставлена к аэродрому. Но были и сомнения в работоспособности устройства. Возникли они в середине октября, когда бомба была почти завершена. Евсей Рабинович выдвинул обоснования, по которым ставилась под сомнение возможность срабатывания устройства. Сахаров и Адамский с Феодоритовым опровергли эти доводы, однако дополнительные расчеты были все же произведены и в конструкцию внесли изменения. Несмотря на это никто со стопроцентной уверенностью не мог гарантировать полный успех - и Рабинович и Сахаров основывались на тех или иных приближениях, слишком мало времени отводилось на разработку. За 6 дней до испытания, 24 октября, вышел окончательный отчет Андрея Сахарова, Юрия Смирнова, Юрия Трутнева, Виктора Адамского, Юрия Бабаева с теоретическими выкладками и расчетами по конструкции бомбы. Теперь оставалось только ждать завершения ее постройки и результата теста.
Бомба была построена в РФЯЦ-ВНИИТФ (Челябинск-70) с ядерным зарядом, разработанным во ВНИИЭФ (Арзамас-16). Применение такой "супербомбы" с самолета-носителя потребовало создания высокоэффективной тормозной парашютной системы, и она была создана в НИИ парашютно-десантных средств по техническому заданию и при непосредственном участии ВНИИТФ. Размеры этой парашютной системы были необычными. Площадь основного купола парашюта составила 1600 кв. м, что позволяло самолету-носителю уйти на безопасное расстояние от места взрыва.




Бомба имела трехступенчатую схему, как и американская Mk-41, максимальная из разработанных в США, мощностью 25 Мт. Грубо говоря, обычный ядерный взрыв поджигает 1-й термоядерный заряд, которой, в свою очередь, активирует 2-й термоядерный заряд. На каждой ступени происходит "накачка" мощности от 10 до 100 раз. Корпуса капсул с термоядерным горючим могут быть сделаны из низкообогащенного урана, что приводит к дополнительному росту мощности (в данном случае вдвое).
Испытание.
Размеры супербомбы впечатляют - длина восемь, максимальный диаметр два метра. Они таковы, что бомба не влезала в бомболюк самого большого на том момент в СССР межконтинентального бомбардировщика ТУ-95А. Масса в 27 тонн - практически предельная нагрузка для этого самолета. Для того, чтобы ТУ-95 мог нести такой объект пришлось переделывать конструкцию бомболюка, механизмов подвески и расцепления. Бомба находилась подвешенной под фюзеляжем в полу утопленном состоянии - часть находилась в расширенном бомбовом отсеке, а часть - снаружи. Такая подвеска и немалый вес груза привели к тому, что самолет сильно сбавил в дальности и скорости - становясь практически негодным к боевому применению. Для предотвращения возгорания и разрушения от вспышки взрыва бомбардировщик был выкрашен светоотражающий краской.
Экипажем самолета командовал майор А.Е. Дурновцев. После испытания он получил звание Героя СССР и повышение до подполковника. Бомба отделилась на высоте 10 500 м и снижалась на замедляющем парашюте до 4000 м. За время падения самолет успел удалиться на относительно безопасное расстояние в 40-50 км.



Взрыв произошел в 11:32 по московскому времени. Вспышка оказалась настолько ярка, что ее можно было наблюдать с расстояния до 1000 км. Очевидцы характеризовали ее как ярчайшую и на 300-километровом удалении, много позже они слышали далекий и мощный рев.
Свет вспышки исходил от огромного огненного шара, несмотря на немалую высоту в 4 км, достигшего земли, и продолжавшего расти до размеров около 10 км в диаметре. На его месте возник оранжевый шар раскаленных газов, поглотивший десятки километров пространства. Гиганский гриб поднялся на высоту в 65 километров. После взрыва из-за ионизации атмосферы на 40 минут было прервано радиосообщение с Новой Землей.
При мощности в 50 Мт зона полного уничтожения представляла собой круг в 25 километров, в 40 километровой зоне разрушались деревянные и сильно повреждались каменные дома, на расстоянии 60 км можно было получить ожоги третьей степени (с омертвлением верхних слоев кожи) от светового излучения, а окна, двери, крыши срывало и на больших расстояниях.
Наблюдательные пункты (и наземные и самолеты в воздухе) находились во множестве мест на расстояниях от нескольких десятков до тысячи километров. ТУ-16 сопровождал для съемок и наблюдения в полете бомбардировщик Дурновцева. На Кольском полуострове размещался главный наблюдательный пост, на котором находились ученые и руководители испытания во главе с генерал-майором Н. Павловым. На самолете ИЛ-14 в нескольких сотнях километров наблюдали за взрывом маршал Кирилл Москаленко и министр среднего машиностроения Ефим Славский.
Океан энергии расплавил, испарил землю и скалы на многие километры вокруг: одна килотонна тротилового эквивалента составляет 4.2*1012 дж, т.о. выделившаяся во время взрыва энергия равняется: 50 000 кт * 4.2*1012 = 2*1017 джоулей. Учитывая время, за которое она выделилась (сотни наносекунд) получаем мощность порядка 5*1021 кВт. Эта цифра уже может сравниться с выходом Солнца - около 1% от мощности излучения светила, равной 4*1023 кВт. Успешное испытание данного заряда открыло возможности создания оружия практически неограниченной мощности.



Далее, на иллюстрациях изображены записи японских сейсмографов.


Заключение
Безусловно, это было экспериментальное устройство, испытание которого имело сугубо политическое и психологическое значение, необходимое для доказательства военной мощи Советского Союза. Ибо такой заряд, пусть даже в виде конструкционно завершенной бомбы, способный обеспечить выход 100 Мт - все-таки это не поставленный на вооружение образец, для которого решены проблемы доставки в боевых условиях и безопасного и длительного хранения.
Если бы бомба испытывалась с номинальным зарядом 100 Мт, это привело бы к сильнейшему радиоактивному заражению местности, увеличив общемировой выброс радиации (на тот момент) на 25%. Впрочем, даже несмотря на взрыв "чистой" версии, где 97% энергии выделялось за счет термоядерных реакций, испытание послужило причиной беспрецедентного выхода радиоактивных изотопов в атмосферу. Дальнейшее разработка, модернизация и производство бомбы не производилась.

При написании использовалась информация ВНИИТФ www.vniitf.ru
При написании использовалась информация The High Energy Weapons Archive

Добавлено спустя 13 минут 22 секунды:

Уран.


Уран, элемент с порядковым номером 92, самый тяжелый из встречающихся в природе. Использовался он еще в начале нашей эры, осколки керамики с желтой глазурью (содержащие более 1% оксида урана) находились среди развалин Помпеи и Геркуланума.
Уран был открыт в 1789 году в урановой смолке немецким химиком Мартоном Генрихом Клапротом, назвавшего его в честь планеты уран, открытой в 1781. Впервые получил металлический уран французский химик Юджин Пелиго в 1841, восстановив безводный тетрахлорид урана калием. В 1896 году Антуан-Анри Беккерель открывает явление радиоактивности урана случайным засвечиванием фотопластинок ионизирующим излучением от оказавшегося поблизости кусочка соли урана.
Химические и физические свойства
Уран очень тяжелый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667.7 °C), бета (четырехугольная, стабильна от 667.7 до 774.8 °C), гамма (с объемно центрированной кубической структурой, существующей от 774.8 °C до точки плавления), в которых уран наиболее податлив и удобен для обработки. Альфа-фаза - очень примечательный тип призматической структуры, состоящей из волнистых слоев атомов в чрезвычайно асимметричной призматической решетке. Такая анизотропная структура затрудняет сплав урана с другими металлами. Только молибден и ниобий могут создавать с ураном твердофазные сплавы. Правда, металлический уран может вступать во взаимодействие со многими сплавами, образуя интерметаллические соеденинения.

Основные физические свойства урана:
температура плавления 1132.2 °C (+/- 0.;
температура кипения 3818 °C;
плотность 18.95 (в альфа-фазе);
удельная теплоемкость 6.65 кал/моль/°C (25 C);
прочность на разрыв 450 МПа.

Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150-175 °C, образуя U3O8. При 1000 °C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырехвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами. Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.
Уран имеет четыре степени окисления - III-VI. Шестивалентные соединения включают в себя триокись уранила UO3 и уранилхлорид урана UO2Cl2. Тетрахлорид урана UCl4 и диоксид урана UO2 - примеры четырехвалентного урана. Вещества, содержащие четырехвалентный уран обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид распадаются в присутствии яркого света или органики.
Изотопы урана
Уран имеет 14 изотопов, при этом только три из них встречаются в природе. Примерный изотопный состав природного урана следующий:

Изотоп
Массовый процент
Атомный процент
Период полураспада

U-234
0.0054%
0.0055%
247 тыс. лет (альфа-распад)

U-235
0.7110%
0.7202%
710 млн. лет (альфа-распад)

U-238
99.2836%
99.2742%
4.51 млрд. лет (альфа-распад)



Хотя содержание изотопа U-235 в общем постоянно, могут иметься некоторые колебания его количества, в следствии обеднения руды из-за реакций деления, имевших место, когда концентрация U-235 была много выше, чем сегодня. Самый известный такой природный "реактор", возрастом 1.9 миллиарда лет, обнаружен в 1972 году в шахте Окло в Габоне. Когда этот реактор действовал, в природном уране содержалось 3% U-235, столько же, сколько и в современном топливе для атомных электростанций. Теперь ядро шахты выгорело и обеднено, содержит лишь 0.44% U-235. Естественные реакторы в Окло и несколько еще, открытых поблизости, являются единственными в своем роде до сих пор.
Содержание U-234 в руде очень незначительно. В отличие от U-235 и U-238, из-за своей короткой жизни, все количество этого изотопа образуется вследствии распада атомов U-238:
U238 -> (4.51 миллиарда лет, альфа-распад) -> Th234
Th234 -> (24.1 дней, бета-распад) -> Pa234
Pa234 -> (6.75 часов, бета-распад) -> U234
Обычно U-234 существует в равновесии с U-238, распадаясь и образуясь с одинаковой скоростью. Однако распадающиеся атомы U-238 существуют некоторое время в виде тория и протактиния, поэтому могут химически или физически отделиться от руды (выщелачиваться подземными водами). Поскольку U-234 обладает относительно коротким временем полураспада, весь этот изотоп, находящийся в руде, образовался в последние несколько миллионов лет. Примерно половину радиоактивности природного урана составляет вклад U-234.
U-236 обладает периодом полураспада 23.9 миллиона лет и не встречается в природе в значительных количествах. Он накапливается, если уран облучается нейтронами в реакторах, и потому используется как "сигнализатор" отработанного уранового ядерного топлива.

Удельная радиоактивность природного урана 0.67 микрокюри/г (разделяется практически пополам между U-234 и U-238, U-235 вносит маленький вклад). Природный уран достаточно радиоактивен для засвечивания фотопластинки за время около часа.

U-235.
В природном уране только один, относительно редкий, изотоп подходит для изготовления ядра атомной бомбы или поддержания реакции в энергетическом реакторе. Степень обогащения по U-235 в ядерном топливе для АЭС колеблется в пределах 2-4.5%, для оружейного использования - минимум 80%, а более предпочтительно 90%. В США уран-235 оружейного качества обогащен до 93.5%, промышленность способна выдавать 97.65% - уран такого качества используется в реакторах для военно-морского флота.
В 1998 году изотопное отделение Ок-Риджской Национальной лаборатории (ORNL) поставляло 93% U-235 по цене 53$/г.
Будучи еще более легким, U-234 пропорционально обогащается даже еще в большей степени, чем U-235 во всех процессах разделения, основанных на разнице в массах. Высокообогащенный U-235 обычно содержит 1.5-2.0% U-234.
Интенсивность спонтанного деления U-235 0.16 делений/с*кг. Чистая 60-килограмовая масса U-235 производит всего 9.6 делений/с, делая достаточно простой для изготовления пушечную схему. U-238 создает в 35 раз больше нейтронов на килограмм, так что даже маленький процент этого изотопа поднимает этот показатель в несколько раз. U-234 создает в 22 раза больше нейтронов и имеет похожее с U-238 нежелательное действие.
Удельная активность U-235 всего 2.1 микрокюри/г; загрязнение его 0.8% U-234 поднимают ее до 51 микрокюри/г.

U-238.
Хотя уран-238 не может быть использован как первичный делящийся материал, из-за высокой энергии нейтронов, необходимых для его деления, он занимает важное место в ядерной отрасли.
Имея высокую плотность и атомный вес, U-238 пригоден для изготовления из него оболочек заряда/рефлектора в устройствах синтеза и деления. Тот факт, что он делится быстрыми нейтронами, увеличивает энерговыход заряда: косвенно, размножением отраженных нейтронов; непосредственно при делении ядер оболочки быстрыми нейтронами (при синтезе). Примерно 40% нейтронов, образованных при делении и все нейтроны синтеза обладают достаточными для деления U-238 энергиями.
U-238 имеет интенсивность спонтанного деления в 35 раз более высокую, чем U-235, 5.51 делений/с*кг. Это делает невозможным применение его в качестве оболочки заряда/рефлектора в пушечных бомбах, ибо подходящая его масса (200-300 кг) создаст слишком высокий нейтронный фон.
Чистый U-238 имеет удельную радиоактивность 0.333 микрокюри/г.
Важная область применения этого изотопа урана - производство плутония-239. Плутоний образуется в ходе нескольких реакций, начинающихся после захвата атомом U-238 нейтрона. Любое реакторное топливо, содержащее природный или частично обогащенный по 235-му изотопу уран, после окончания топливного цикла содержит в себе определенную долю плутония.

U-233 и U-232.
Этот изотоп урана с периодом полураспада 162 000 лет не встречается в природе. Его можно получить из тория-232, облучением нейтронами, наподобии производства плутония:
Th232 + n -> Th233
Th233 -> (22.2 м, бета-распад) -> Pa233
Pa233 -> (27.0 дней, бета-распад) -> U233
Наряду с этой, может протекать двухстадийная побочная реакция, венчающаяся образованием U-232:
Th232 + n -> T231 + 2n
Th231 -> (25.5 ч, бета-распад) -> Pa231
Pa231 + n -> Pa232
Pa232 -> (1.31 дней, бета-распад) -> U232
Наработка урана-232 в ходе этой реакции зависит от присутствия в значительных количествах быстрых (нетепловых) нейтронов, ибо сечение первой реакции этого цикла слишком мало для тепловых скоростей. Если в исходном веществе находится Th-230, то образование U-232 дополняется реакцией:
Th230 + n -> Th231
и далее как указано выше.
Наличие U-232 очень важно из-за последовательности распада:
U232 -> (76 лет, альфа-распад) -> Th228
Th228 -> (1.913 лет, альфа-распад) -> Ra224
Ra224 -> (3.64 дней, альфа- и гамма-распад) -> Rn220
Rn220 -> (55.6 с, альфа-распад) -> Po216
Po216 -> (0.155 с, альфа-распад) -> Pb212
P-212 -> (10.64 ч, бета- и гамма-распад) -> Bi212
Bi212 -> (60.6 мин, бета- и гамма-распад) -> Po212
альфа- и гамма-распад) -> Tl208
Po212 -> (3x10-7 с, альфа-распад) -> Pb208 (стабилен)
Tl208 -> (3.06 мин, бета- и гамма-распад) -> Pb208
Большое количество энергичных гамма-лучей выделяется с началом быстрой последовательности распада Ra-224. Около 85% всей общей энергии образуется при распаде последнего члена последовательности - тантала-208 - энергия гамма-лучей до 2.6 МэВ.
Накопление U-232 неизбежно при производстве U-233. Это аналогично накоплению помимо Pu-239 других изотопов плутония, только в гораздо меньшей степени. Первая реакция цикла требует нейтронов с энергией не менее 6 МэВ. Такими энергиями обладает очень небольшое количество нейтронов деления и если зона воспроизводства тория находится в такой части реактора, где она облучается умеренно быстрыми нейтронами (~ 500 кэВ) эта реакция может быть практически исключена. Вторая реакция (с Th-230) превосходно идет и с тепловыми нейтронами. Отсюда снижение образования U-232 требует загрузки тория с минимальной концентрацией Th-230.
Вышеописанные меры предосторожности ведут к содержанию в оружейном U-233 U-232 в количестве 5 частей на миллион (0.0005%).
В коммерческом ядерном топливном цикле сосредоточение U-232 не представляет собой большого недостатка, даже желательно, поскольку это снижает возможность распространения урана для оружейных целей. Для экономии топлива, после его переработки и повторного использования уровень U-232 достигает 0.1-0.2%. В специально спроектированных системах этот изотоп накапливается в концентрациях 0.5-1%.
В течении первых пары лет после производства U-233, содержащего U-232, Th-228 сохраняется на постоянном уровне, находясь в равновесии с собственным распадом. В этом периоде фоновое значение гамма-излучения устанавливается и стабилизируется. Таким образом, первые несколько лет произведенная масса U-233 может испускать значительное гамма-излучение. Десятикилограммовая сфера U-233 оружейной чистоты (5 миллионных долей U-232) создает фон 11 миллибэр/час на расстоянии 1 м спустя 1 месяц после производства, 110 миллибэр/ч через год, 200 миллибэр/ч через 2 года. Обычная камера с перчатками, используемая для сборки ядер бомб, быстро создает трудности с безопасностью для сотрудников. Ежегодная предельная доза в 5 бэр превышается уже через 25 часов работы с таким материалом. Даже свежий U-233 (1 месяц со дня изготовления) ограничивает время сборки десятью часами в неделю.
В полностью собранном оружии уровень радиации может снижаться поглощением корпусом заряда. В современных облегченных устройствах снижение не превышает 10 раз, создавая проблемы с безопасностью. В более тяжеловесных зарядах поглощение много более сильное - в 100 - 1000 раз. Рефлектор из бериллия увеличивает уровень нейтронного фона:
Be9 + гамма-квант -> Be8 + нейтрон
Гамма-лучи U-232 образуют характерную сигнатуру, их можно обнаружить и отследить передвижения и наличие атомного заряда.
Производимый по ториевому циклу специально денатурировонный U-233 (0.5 - 1.0% U-232), создает еще большую опасность. Такая же 10-килограмовая сфера, как описанная выше, только изготовленная из такого материала, на расстоянии 1 м через 1 месяц создает фон 11 бэр/час, 110 бэр/ч через год и 200 бэр/ч через 2 года. Обработка и изготовление такого урана идет только в специальных боксах, с применением механических манипуляторов (они используются при создании тепловыделяющих сборок для атомных станций). Если попытаться произвести атомную бомбу из этого вещества, даже при сокращении излучения в 1000 раз, непосредственный контакт с таким изделием ограничивается 25 часами в год. Таким образом, наличие заметной доли U-232 в делящемся веществе делает его крайне неудобным для военного применения.
Короткий период полураспада у U-232 делает его очень активным источником альфа-частиц. U-233 с 1% U-232 имеет в три раза более сильную альфа-радиоактивность, чем оружейный плутоний и, соответственно, большую радиотоксичность. Эта альфа-активность вызывает рождение нейтронов в легких элементах заряда, представляя даже более серьезную проблему, чем реакция бериллия с гамма-квантами. Для минимизации этой проблемы присутствие таких элементов как бериллий, бор, фтор, литий должно быть как можно меньшим. Наличие нейтронного фона совершенно не влияет на имплозионные системы, так как он все равно меньше, чем у плутония. Для пушечных проектов требуемый уровень чистоты по легким материалам - одна часть к миллиону. Хотя такая очистка урана нетривиальная задача, она не выходит за рамки стандартных химических методов очистки. Это демонстрируют хотя бы возможности электронной промышленности по изготовлению кремния даже более высокой чистоты.
U-233 имеет интенсивность спонтанного деления 0.47 делений/с*кг. U-233 имеет интенсивность спонтанного деления 720 делений/с*кг. Удельная радиоактивность U-233 9.636 милликюри/г, давая альфа-активность (и радиотоксичность) примерно 15% от плутония. Всего 1% U-232 увеличивает радиоактивность до 212 милликюри/г.
Несмотря на недостаток в виде сильной гамма- и нейтронной радиоактивности, U-233 - прекрасный делящийся материал для ядра атомной бомбы. Он обладает меньшей критической массой, чем U-235 и его ядерные характеристики сходны с плутонием. США производили испытания зарядов на основе U-233 в операции Teapot в 1957 году. Индия придает большое значение U-233 как части исследования и производства оружия и официально включила производство изотопа в свою ядерную программу.

Обедненный уран.
После извлечения U-235 из природного урана, оставшийся материал носит название "обедненный уран", т.к. он обеднен 235-ым изотопом. В США хранится около 560 000 тонн обедненного гексафторида урана (UF6) на трех газодиффузионных обогатительных производствах минэнергетики США: в г. Падьюка (Paducah), штат Кентукки; в г. Портсмут (Portsmouth), Огайо; и в Ок-Ридже (Oak Ridge), Теннесси.
Обедненный уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счет удаления из него U-234. Из-за того, что основное использование урана - производство энергии, обедненный уран бесполезный продукт с низкой экономическое ценностью. Нахождение путей использования обедненного урана представляет собой большую проблему для обогатительных предприятий.
В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Две важнейшие сферы использования обедненного урана: использование его для радиационной защиты (как это не странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолете Боинг-747 содержится 1500 кг обедненного урана для этих целей. Обедненный уран в значительной степени применяется при бурении нефтяных скважин в виде ударных штанг (при канатном бурении), его вес погружает инструмент в скважины, наполненые буровым раствором. Еще этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах.
Но самое известное применение урана - в качестве сердечников для американских бронебойных снарядов. При определенном сплаве с другими металлами и термической обработке (сплавление с 2% Mo или 0.75% Ti, быстрая закалка разогретого до 850 °С металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °С 5 часов) металлический уран становиться тверже и прочнее стали (прочность на разрыв > 1600 МПа). В сочитании с большой плотностью, это делает закаленный уран чрезвычайно эффективным для пробивания брони, аналогичным по эффективности много более дорогому монокристаллическому вольфраму. Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль большинства урана, проникновением пыли внутрь защищенного объекта и воспламенением ее на воздухе с другой стороны. Около 300 тонн обедненного урана остались на поле боя во время Бури в Пустыне (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолетов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава).
Обедненный уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 "Абрамс".
Захват нейтронов U-235 и U-238
Скорость нейтронов
U-238
U-235

Быстрые нейтроны, энергия (>1 МэВ)
Происходит деление, захват маловероятен
Происходит деление, захват маловероятен

Промежуточные нейтроны, энергия (<10 эВ)
Происходит захват
U238 + n -> U239
Захват маловероятен

Тепловые нейтроны, энергия (< 0.5 эВ)
Захват происходит очень редко
(если происходит, образуется U239)
Происходит захват, ведущий к делению


Обогащение урана
Во время Манхэттенского проекта природный уран получил название "tuballoy" (сокращенно "Tu") из-за подразделения проекта "Tube Alloy Division", это название все еще иногда встречается в отношении природного или обедненного урана. Кодовое имя высокообогащенного урана (особенно оружейного обогащения) - "oralloy" (сокращенно "Oy"). Названия "Q-metal", "depletalloy", и "D-38" относятся только к обедненному урану.
Практически важное соединение урана - гексафторид урана UF6. Это единственное стабильное и легколетучее соединение урана, использующееся при разделении его изотопов - газовой диффузии и центрифугировании. В этом аспекте его применения важно и то, что фтор имеет всего один изотоп (это не вносит дополнительной усложняющей разницы в массах) и то, что UF6 - стехиометрическое соединение (состоящее в точности из 6 атомов фтора и 1 атома урана). При комнатной температуре оно представляет собой бесцветные кристаллы, а при нагреве до 56 °С сублимируется (испаряется без перехода в жидкую фазу). Его температура плавления 64 °C, плотность - 4.87 твердая и 3.86 жидкая фазы. Это фтористое вещество разъедает большинство металлов и оксидов, кроме алюминия (вследствии наличия тонкой пленки окисла) и никеля (благодаря образованию пленки фторида никеля). Большая часть оборудования для работы с гексафторидом урана сделана из алюминия либо покрыта слоем никеля.
Среди других соединений стоит отметить и гидрид урана UH3. Он изучался в Лос-Аламосе еще в рамках Манхэттенского проекта как материал для атомной бомбы. По теории, присутствующие атомы водорода должны замедлять нейтроны до таких скоростей, при которых сечение поглощения их атомами U-235 было бы гораздо больше. Хотя это могло бы сделать бомбу менее эффективной, оставалось надежда на сокращение требуемой массы урана. Уже послевоенные исследования показали неожиданно низкую плотность гидрида (всего и маленькое реальное сечение захвата, сделавшие эту схему неработоспособной. Испытания в 1953 году в операции Upshot-Knothole имплозионных бомб с ядрами из UH3 подтвердили это, произведя очень незначительные "хлопки".

До второй мировой войны уран считался редким металлом. Сейчас известно, уран более распространен, чем ртуть или серебро и содержится в промышленных рудах примерно в таких же концентрациях, как мышьяк или молибден. Его средняя концентрация в земной коре примерно 2 части к 1 миллиону, занимает 48 место по содержанию в кристаллических породах. В литосфере уран более распространен, чем такие недорогие вещества как цинк и бор, встречающиеся в концентрациях 4 г/т. Содержание урана в гранитных породах вполне достаточное, чтобы радиоактивный газ радон, продукт распада, представлял серьезную биологическую опасность в местах выхода гранита на поверхность. Уран обнаружен и в морской воде, в концентрации 150 мкг/м3.
Уран входит в достаточной концентрации в 150 различных минералов, и в небольшом количестве - еще в 50. Первоначально его нашли в магматических гидротермальных жилах и пегматитах, включая уранинит и смоляную обманку. В этих рудах уран содержится в виде диоксида, который, в зависимости от степени окисления, имеет средний состав от UO2 до UO2.67. Еще руды, имеющие экономическое значение: аутанит, гидраткальциевый уранильный фосфат; тобернит, гидратмедный уранильный фосфат; коффинит, гидратированный силикат урана; карнотит, гидраткалиевый уранильный ванадат. Урановые руды имеются по всему миру. Запасы и коммерческие сделки выражаются в эквивалентных массах U3O8. Один килограмм U3O8 стоит в среднем около 40$.
Месторождения смоляной обманки, самой богатой ураном руды, располагаются главным образом в Канаде, Конго и США. Большинство из добывающегося в США урана вырабатывается из получаемого в штатах Юта, Колорадо, Нью-Мексико, Аризона, Вайоминг карнотита. Минерал, названный коффинит, открытый в 1955 году в Колорадо, очень богатая руда - содержание урана ~61%. Впоследствии коффинит нашли в Вайоминге и Аризоне. В 1990 году производство уранового концентрата в США составило 3417 тонн.

Урановые руды содержат обычно небольшое количество ураносодержащего минерала, так что необходимы предварительное извлечение и обогащение. Физическое разделение (гравитация, флотация, электростатика) неприменимо для урана, в дело идут методы гидрометаллургии - выщелачивание - обычный первый шаг обработки руды.
В классическом способе кислотного выщелачивания руда первоначально измельчается и обжигается для обезвоживания, удаляются углеродсодержащие фракции, сульфатируется, восстановители, которые могут быть препятствием для выщелачивания окисляются. Затем смесь обрабатывается серной и азотной кислотами. Уран переходит в сульфат уранила, радий и другие металлы в урановой смолке оседают в виде сульфатов. С добавлением едкого натра уран осаждается в виде диураната натрия Na2U2O7.6H2O.
Классические методы извлечения урана из руды в настоящее время пополнены такими процедурами как экстракция растворителями, ионным обменом, выпариванием.
Во время экстракции растворителями урановая руда удаляется из щелока от выщелачивания подкисленной породы при помощи смеси растворителей, например р-ра трибутилфосфата в керосине. В современных промышленных методах в качестве растворителей фигурируют алкил-фосфорные кислоты (например, ди(2-этилгексил)-фосфорная кислота) и вторичные и третичные алкиламины.
Как общее правило, экстракция растворителями предпочитается ионообменным методам при содержании урана в растворе после кислотного выщелачивания более 1 грамма на литр. Однако оно неприменимо для восстановления урана из карбонатных растворов.
Уран, удовлетворяющий условиям оружейной чистоты, обычно получают из диураната натрия через прохождение дополнительной очистки, используя трибутилфосфатный очистительный процесс. Первоначально, Na2U2O7.6H2O растворяют в азотной кислоте для подготовки сырьевого раствора. Из него избирательно удаляется уран при разбавлении раствора трибутилфосфатом с керосином или иной подходящей углеводородной смесью. Наконец, уран переходит из трибутилфосфата в подкисленную воду для выделения высокоочищенного уранильного нитрата. Нитрат кальцинируется в UO3, который восстанавливается в водородной атмосфере до UO2. UO2 конвертируется в UF4 в безводном фтористом водороде (HF).
Металлический уран получают восстановлением урановых галлогенидов (обычно тетрафторида урана) магнием в экзотермической реакции в "бомбе" - герметичном контейнере, обычно стальном, общая методика известна как "термитный процесс". Производство металлического урана восстановлением магнием тетрафторида иногда называют способом Амеса (Ames), в честь университета Айовы, Амеса, где химик Ф. Х. Спеддинг (F.H. Spedding) и его группа разработали этот процесс в 1942 году.
Реакции в "бомбе" протекают при температурах, превышающих 1300 °C. Прочный стальной корпус необходим, чтобы выдержать высокое давление внутри него. "Бомба" заряжается гранулами UF4 и в избытке засыпается тонко диспергированным магнием и нагревается до 500-700 °C, с этого момента начинается саморазогревающаяся реакция. Теплоты реакции достаточно для расплавления начинки "бомбы", состоящей из металлического урана и шлака - фторида магния MF2. Этот самый шлак отделяется и всплывет вверх. Когда "бомба" охлаждается, получается слиток металлического урана, который, несмотря на содержание в нем водорода, самый качественный из коммерчески доступных и хорошо подходит для топлива АЭС.
Металл получается и при восстановлении оксидов урана кальцием, алюминием или углеродом при высоких температурах; или электролизом KUF5 или UF4, растворенных в расплаве CaCl2 и NaCl. Уран высокой чистоты можно получить термическим разложением галлогенидов урана на поверхности тонкой нити.

При завершении процесса обогащения урана, обычно в отходах остается 0.25-0.4% U-235, так как извлекать этот изотоп до конца экономически невыгодно (дешевле закупать большее количество сырья). В США остаточное содержание U-235 в сырье после производства возросло с 0.2531% в 1963 до 0.30% в 70-х, по причине снижения стоимости природного урана.

Разделительная способность обогатительного завода измеряется в массе переработанного вещества (МПП) за единицу времени, например МПП-кг/год или МПП-тонн/год. Выход обогащенного продукта с предприятия заданной мощности так же зависит от концентрации нужного изотопа во входной породе, выходных отходах и конечном продукте. Исходное содержание полезного изотопа обычно зафиксировано природным его содержанием. Зато два остальных параметра могут меняться. Если уменьшить степень извлечения изотопа из исходного вещества, можно увеличить скорость его выхода, но платой за это будет увеличение требуемой массы сырья. Это подчиняется отношению:

где P - выход продукта, U - разделительная способность, NP, NF, NW - молярные концентрации изотопа в конечном продукте, сырье и отходах. V(NP), V(NW), V(NF) разделительные потенциальные функции для каждой концентрации. Они определяются как:

Принимая остаточную концентрацию в 0.25%, завод с производительностью 3100 МПП-кг/год произведет 15 кг 90% U-235 ежегодно из натурального урана. Если взять в качестве сырья трехпроцентный U-235 (топливо для АЭС) и концентрацию 0.7% в отходах производства, тогда достаточно мощности 886 МПП-кг/год для того же выхода.

Методы разделения. Для разделения урана в то или иное время использовались(ются) следующие технологии:
Электромагнитное разделение
Газовая диффузия
Жидкостная термодиффузия
Газовое центрифугирование
Аэродинамическая сепарация
Дополнительного внимания заслуживают следующие, пока промышленно неприменяемые методы:
Испарение с использованием лазера
Химическое разделение

Подробно эти методы обсуждаются в статье "Методы разделения изотопов", здесь же приводятся заметки именно относительно урана.

Электромагнитное разделение.
Это была исторически первая техника, способная к производству оружейного урана. Она использовалась в электромагнитном сепараторе Y-12 в Ок-Ридже во время второй мировой войны. Двух этапов разделения достаточно для обогащения урана до 80-90%. Два остальных метода, доступных в то время - газовая диффузия, жидкостная термодиффузия - применялись для начального обогащения урана и увеличения выхода электромагнитного сепаратора по отношению к сырью из природного урана. Весь использованный в хиросимской бомбе уран произведен по этой технологии.
В связи с высокими накладными расходами Y-12 был закрыт в 1946 году. В более позднее время только Ирак пытался промышленно использовать этот метод в своей атомной программе.

Газовая диффузия.
Первая практически применяемая в промышленных масштабах технология. Несмотря на требование наличия для сильного обогащения тысяч ступеней, по затратам это более выгодный метод, чем электромагнитное разделение. Газодиффузионные предприятия по обогащению U-235 огромны и имеют большую производственную мощность.
Главная трудность - создание надежных газодиффузионных барьеров, способных противостоять коррозийному действию UF6. Есть два основных типа таких барьеров: тонкие пористые мембраны и барьеры, собранные из отдельных трубочек. Мембраны представляют собой пленки с образованными травлением порами. Например, азотная кислота протравливает сплав 40/60 Au/Ag (Ag/Zn); либо электролитическим травлением алюминиевой фольги можно получить хрупкую алюминиевую мембрану. Составные барьеры собираются из маленьких дискретных элементов, упакованных в относительно толстую пористую перегородку.
Технология изготовления диффузионных барьеров продолжает оставаться засекреченной во всех странах, разработавших ее.
Построенное во время второй мировой войны производство K-25 в Ок-Ридже состояло из 3024 ступеней обогащения и продолжало функционировать до конца 1970-х. Разработка подходящего материала для барьеров оказалась сложным делом, что вызвало некоторую задержку с вводом в строй предприятия после войны, хотя даже частично законченный завод внес вклад в накопление U-235 для "Малыша" (Little Boy). В то время барьеры изготавливались из спеченного никелевого порошка, попытки создать многообещающие мембраны из электролитически вытравленного алюминия провалились. K-25 изначально содержал 162 000 м2 мембранной поверхности. Это предприятие, с расширениями, произвело большую часть всего урана для армии США в шестидесятых. С усовершенствованием газодиффузионных барьеров производительность завода возросла в 23 раза.
Диффузионное производство потребляет гораздо меньше электроэнергии по сравнению с электромагнитным, но ее расход все равно остается достаточно большим. В 1981 году, после модернизации, оно имело удельную потребляемую мощность на уровне 2370 кВт-ч/МПП-кг.
Несмотря на то, что уран низкого обогащения - ценное сырье для производства высокообогащенного урана, газодиффузионные установки низкого обогащения невозможно легко переделать для производства урана высокого обогащения. Высокое обогащение требует много меньших по размеру ступеней, из-за резкого снижения коэффициента обогащения и проблем с критичностью (накопление критической массы урана) у больших по размеру блоков.
Огромные размеры обогатительной системы ведут к длительному времени заполнения ее материалом (обогащаемым веществом), до начала выхода продукта. Обычно это время установления равновесия составляет 1-3 месяца.
Технология газовой диффузии широко использовалась во множестве стран, даже Аргентина создала действующее обогатительное предприятие для своей тайной оружейной программы (в настоящее время прекращенной). В 1979 году более 98% всего урана производилось с использованием этого процесса. К середине 1980-х эта доля сократилась до 95% с освоением метода центрифугирования.

Жидкостная термодиффузия.
Жидкостная термодиффузия оказалась первой технологией, на которой были получены существенные количества низкообогащенного урана. Она применялась в США во время Манхэттенского проекта для увеличения КПД сепаратора Y-12. Это самый простой из всех методов разделения, но предельная степень обогащения по U-235 всего ~1% (завод S-50 в Ок-Ридже производил 0.85-0.89% урана-235 в конечном продукте). Кроме того, для термодиффузии нужны огромные количества тепла.

Газовое центрифугирование.
Доминирующий способ разделения изотопов для новых производств, хотя уже существующие мощности - по большей части газодиффузионные. Каждая центрифуга обеспечивает гораздо больший коэффициент разделения, чем одна газовая ступень. Требуется много меньше ступеней, всего около тысячи, правда стоимость каждой центрифуги гораздо выше.
Газовое центрифугирование требует ~1/10 часть энергии, требующейся газовой диффузии (его энергопотребление 100-250 кВт-ч/МПП-кг) и обеспечивает более легкое наращивание масштаба производства.
Из развивающихся ядерных стран этой достаточно сложной технологией владеют Пакистан и Индия.

Аэродинамическая сепарация.
Аэродинамическое разделение разработано в ЮАР (процесс UCOR, использующий вихревые трубки с давлением 6 бар) и Германии (используются искривленные сопла, работающие с давлением 0.25-0.5 бар).
Единственная страна, применявшая этот метод на практике - ЮАР, где было произведено 400 кг оружейного урана на предприятии в Валиндабе, закрытом в конце восьмидесятых. Коэффициент разделения ~1.015, энергозатраты ~3300 кВт-ч/МПП-кг.

Испарение с использованием лазера.
AVLIS (atomic vapor laser isotope separation). Технология так и не была воплощена в производстве, разрабатывалась в США в течении 1970-80-х гг. и отмерла вследствии общего переизбытка разделяющих мощностей и сокращении арсенала.

Химическое разделение.
Химическое разделение урана разрабатывалось в Японии и Франции, но, как и AVLIS, никогда не использовалось. Французкий метод Chemex использует противоток в высокой колонне двух несмешиваемых жидкостей, каждая содержащая растворенный уран. Японский метод Asahi использует реакцию обмена между водным раствором и мелкоизмельченной смолой, через которую медленно просачивается раствор. Оба способа нуждаются в катализаторах для ускорение процесса концентрации. Процесс Chemex нуждается в электричестве на уровне 600 кВт-ч/МПП-кг.
Ирак разрабатывал эту технологию (в виде смешанного производства Chemex/Asahi) для обогащения U-235 до 6-8% и последующем дообогащением в калютроне.

Приблизительные энергетические эффективности указанных методов по отношению к газовой диффузии:
менее 0.01? AVLIS (если доведена до промышленного употребления)
0.10-0.04 газовое центрифугирование
0.30 химическое разделение
1.00 газовая диффузия
1.50 аэродинамическая сепарация
высокое электромагнитное разделение
высокое жидкостная термодиффузия


Перевод Section 6.0 Nuclear Weapons FAQ, Carey Sublette, находящегося здесь.

Добавлено спустя 1 минуту 36 секунд:

Плутоний.


Плутоний, элемент с порядковым номером 94, открыт Гленом Сиборгом (Glenn Seaborg), Эдвином Макмилланом (Edwin McMillan), Кеннеди (Kennedy), и Артуром Уолхом (Arthur Wahl) в 1940 году в Беркли при бомбардировки мишени из урана дейтронами из шестидесятидюймового циклотрона. В мае 1940 свойства плутония были предсказаны Льюисом Тернером (Louis Turner).
В декабре 1940 года был открыт изотоп плутония Pu-238, с периодом полураспада ~90 лет, через год - более важный Pu-239 с периодом полураспада ~24 000 лет.

Pu-239 присутствует в природном урана в виде следов (количество - одна часть на 1015), образуется он там в результате захвата нейтрона ядром U-238. Чрезвычайно малые количества Pu-244 (самого долгоживущего изотопа плутония, период полураспада 80 миллионов лет) были обнаружены в цериевой руде, по видимому, оставшиеся там со времен формирования Земли.

Всего известно 15 изотопов плутония, все радиоактивны. Самые значимые для проектирования ядерного оружия:
Pu238 -> (86 лет, альфа-распад) -> U234
Pu239 -> (24 360 лет, альфа-распад) -> U235
Pu240 -> (6580 лет, альфа-распад) -> U236
Pu241 -> (14.0 лет, бета-распад) -> Am241
Pu242 -> (370 000 лет, альфа-распад) -> U238
Физические свойства плутония
Плутоний - очень тяжелый серебристый металл, блестящий подобно никелю, когда только что очищен. Это крайне электроотрицательный, химически активный элемент, гораздо в большей степени, чем уран. Он быстро тускнеет, образую радужную пленку (подобно радужной масляной пленки), вначале светло-желтую, со временем переходящую в темно-пурпурную. Если окисление довольно велико, на его поверхности появляется оливково-зеленый порошок оксида (PuO2).
Плутоний охотно окисляется, и быстро коррозирует даже в присутствии незначительной влажности. Странно, но он покрывается ржавчиной в атмосфере инертного газа с парами воды гораздо быстрее, чем на сухом воздухе или в чистом кислороде. Причина этого - прямое действие кислорода формирует на поверхности плутония слой оксида, мешающий дальнейшему окислению. Воздействие же влаги производит рыхлую смесь из оксида и гидрида. Для предотвращения оксидирования и коррозии требуется сушильная печь.
Плутоний имеет четыре валентности, III-VI. Хорошо растворяется только в очень кислых средах, таких как азотная или соляная кислоты, так же хорошо растворяется в иодистоводородной и хлорной кислотах. Плутониевые соли легко гидролизируются при контакте с нейтральными или щелочными растворами, создавая нерастворимую гидроокись плутония. Концентрированные растворы плутония нестабильны, в следствии радиолитического разложения, ведущего к выпадению осадка.
Вследствии своей радиоактивности, плутоний теплый на ощупь. Большой кусок плутония в термоизолированной оболочке разогревается до температуры, превышающей температуру кипения воды.

Основные физические свойства плутония:
Температура плавления: 641 °C;
Температура кипения: 3232 °C;
Плотность: 19.84 (в альфа-фазе).

Плутоний имеет множество специфических свойств. Он обладает самой низкой теплопроводностью изо всех металлов, самой низкой электропроводностью, за исключением марганца (по другим данным все же самой низкой из всех металлов). В своей жидкой фазе это самый вязкий металл.
При изменении температуры плутоний подвергается самым сильным и неестественным изменениям плотности. Плутоний обладает шестью различными фазами (кристаллическими структурами) в твердой форме, больше чем любой другой элемент (в действительности, по более строгим условиям, их семь). Некоторые переходы между фазами сопровождаются разительными изменениями объема. В двух из этих фаз - дельта и дельта прим - плутоний обладает уникальным свойством сжиматься при повышении температуры, а в остальных - имеет чрезвычайно большой температурный коэффициент расширения. При расплавлении плутоний сжимается, позволяя нерасплавленному плутонию плавать. В своей максимально плотной форме, альфа фазе, плутоний шестой по плотности элемент (тяжелее его только осмий, иридий, платина, рений и нептуний). В альфа фазе чистый плутоний хрупок, но существуют его гибкие сплавы.
Плотности и температурный диапазон фаз плутония:
Фаза Плотность Диапазон существования (°C)

альфа 19.84 (20 °C) стабильна ниже 122
бета 17.8 (122 °C) 122 - 206
гамма 17.2 (206 °C) 224 - 300
дельта/
дельта прим 15.9 (319 °C) 319 - 476
эпсилон 17.0 (476 °C) 476 - 641 (точка плавления)
жидкая 16.65 (641 °C) 641 - до точки кипения
К концу 1995 года в мире было произведено в общей сложности около 1270 тонн плутония, из которого 257 т для оружейного использования, остальное - побочный продукт АЭС.
Кроме своего оружейного назначения, плутоний может потенциально применяться для производства электроэнергии. Единственную крупную программу по энергетическому использованию плутония имеет только Япония. Это показывает его экономическую неконкурентноспособность по сравнению с ураном в течении десятилетий, по следующим причинам. Стоимость переработки реакторного топлива для извлечения плутония значительно выше, чем цена низкообогащенного урана. Большинство сегодняшних предприятий не оборудованы инструментарием для работы с более опасным для жизни оксидом плутония. Стоимость охраны плутония для предотвращения кражи или диверсии с целью его оружейного применения весьма существенна. Существующие энергетические реакторы могут работать с топливом, содержащим довольно малую величину плутония, представляющую небольшую ценность, и стоимость проектирования и строительства новых реакторов так же весьма велика. Текущая достаточная поставка урана, наличие больших обогатительных мощностей и большие запасы оружейного урана в США и России, который разбавляется для изготовления коммерческого топлива, гарантируют твердые цены на уран в последующие 20-30 лет.
Плутоний имеет и несколько других применений. Самое широко распространенное из них - в радиоизотопных дымовых детекторах в Европе (в США такие же детекторы изготавливаются из америция из-за его более короткого времени полураспада). Плутониево-бериллиевый сплав работает как лабораторный источник нейтронов. Изотоп Pu-238 находится в ряде атомных термоэлектрических генераторах энергии на борту космических исследовательских аппаратов, благодаря долгому времени жизни и высокой тепловой мощности.
На сентябрь 1998 года цены на плутоний, установленные изотопным отделением Ок-Риджской Национальной лаборатории (ORNL) были таковы: $8.25/мг за плутоний-238 (97% чистоты); $4.65/мг за плутоний-239 (>99.99%); $5.45/мг за плутоний-240 (>95%); $14.70/мг за плутоний-241 (>93%); и $19.75/мг за плутоний-242.
Плутоний - элемент практически отсутствующий в природе. Однако около 5000 кг его выделилось в атмосферу в результате ядерных испытаний. По некоторым оценкам, почва в США содержит в среднем 2 милликюри (28 мг) плутония на км2 от выпадения радиоактивных осадков.
Металлургия плутония
При комнатной температуре плутоний представляет собой кристаллическую структуру, называемую "альфа фаза". В этой форме плутоний имеет свою максимальную плотность - около 19.84 при 20 °С. Атомы в альфа фазе связаны ковалентной связью (в отличии от металлической связи), поэтому физические свойства ближе к минералам, чем к металлам. Это твердый, хрупкий и ломающийся в определенном направлении материал. Альфа фаза не поддается обработке обычными для металлов технологиями производства.
В самом "легком" виде, дельта фазе (плотность 15.9), плутоний достаточно ковкий и вязкий. Так же и в гамма фазе.
В дельта фазе плутоний имеет нормальные металлические свойства, включая превосходную ковкость. Дельта фаза имеет прочность и пластичность сходную с алюминием, делая простой обработку и отливку. Хотя дельта фаза и проявляет аномальное свойство сжиматься при нагревании, этот отрицательный коэффициент расширения невелик. Плутоний в дельта фазе совсем неустойчив. Он стремится осесть в плотную альфа фазу под очень небольшим давлением, увеличив на 25% свою плотность. В чистом плутонии дельта фаза не может существовать при давлении более 1 килобара. Для сравнения, увеличение на 25% плотности урана (или альфа фазы плутония) требует давления 450 килобар. При давлениях свыше 30 килобар плутоний существует только в альфа и бета фазах.
Это свойство перехода дельта -> альфа фазы (и увеличение его плотности на 25%) используется в имплозионных проектах оружия. Плутоний можно стабилизировать в дельта фазе при комнатной температуре путем сплавления его с трехвалентными металлами, такими как галлий, алюминий, церий, индий и америций в концентрации нескольких молярных процентов. Даже стабилизированная, дельта фаза продолжает оставаться легко сжимаемой давлением в несколько килобар. Особенно интересен факт, что в стабилизированном галлием плутонии дельта фаза действительно метастабильна при содержании галлия менее 4 молярных процентов. Это означает, что процесс фазового перехода под давлением в альфа фазу необратим.
Для оружейного применения плутоний обычно стабилизируется в дельта фазе сплавлением с 3-3.5 молярных процента (0.9-1% по весу) галлия. Этот сплав стабилен при температурах по крайней мере от -75 до 475 °C. Стабилизация предотвращает изменения объема плутония при колебаниях температуры после изготовления, что может повредить прецезионно сделанные компоненты устройства. Сплав имеет почти нулевой коэффициент теплового расширения. Так же он облегчает литье из-за наличия единственного эпсилон -> дельта фазового перехода во время охлаждения. Наконец, стабилизация снижает восприимчивость плутония к коррозии. Трехпроцентный галлиевый сплав применялся в Gadget`е и Fat Man`е. Если не считать галлий, плутоний в их ядрах был очень высокой чистоты.
Алюминий хороший материал для сплавления, но первоначально он отсутствовал в американской оружейной программе из-за образования нейтронов в результате реакций альфа частица -> n. Церий не использовался вообще (по многим причинам), в частности, он не давал стойкость к коррозии.
Плутоний для ядер бомб покрывается слоем металла (обычно никелем) для защиты его от ржавчины и снижения биологической опасности. Два полушария для Gadget`а были покрыты гальваническим способом никелем (по другим данным - серебром), процесс был не совсем удачным и привел к появлению раковин в металле. Пересмотр метода привел к химической металлизации при выдерживании плутония в атмосфере карбонильного никеля. Никелем были покрыты ядра Fat Man'а, бомб, взорванных в операции Crossroads, и первом советском заряде РДС-1. Напыление слоя алюминия или гальванопокрытие цинком не применялись.
Потенциально серьезная проблема для использования плутония в оружии - это наличие у него высокого фона спонтанных нейтронов. Присутствие нейтронов в то время, когда еще только достигается надкритическая масса ведет к преждевременной ядерной реакции, недостаточному выходу энергии и в некоторых случаях вообще к отказу оружия, легкому "хлопку". Существуют два источника нейтронного фона.
Самый главный - присутствие изотопа Pu-240, чей уровень спонтанного деления достаточен для появления 106 нейтронов/с*кг . Этот изотоп неизбежно образуется в течении производства Pu-239.
Второй из них - взаимодействие сильного альфа-излучения с легкими элементами, находящимися в плутонии. Хотя эта проблема имела большое значение во время Манхэттенского проекта, когда первоначально планировалось использование пушечного дизайна, открытие Pu-240 превратило ее в далекую от практики. Для минимизации (но не исключения) присутствие легких элементов в плутонии должно находиться в отношении одна часть к миллиону, это задача достаточно трудная. Алюминий, из которого альфа-частицы выбивают нейтроны, на некотором протяжении сделался не очень желательным веществом для сплавления, хотя с современным оружейного качества плутонием этот вклад в испускание нейтронов невелик. В конечном счете, удовлетворяющие характеристики галлиевого сплава, установленные в ходе обращения с ним и относительную незначимость таких деталей, как стоимость сплавляемого материала помешали использованию веществ, подобных алюминию.
Первоначальная техника получения металлического плутония заключена в пирохимическом восстановлении галогенидов плутония щелочными металлами. Обычно PuF4 восстанавливается кальцием и йодом, это стандартный в США метод, по крайней мере в 1970-х годах. Высшей очистки можно достичь электролитическим рафинированием пирохимически произведенного металла (не обязательный шаг для оружейного применения). Это делается в ячейках для электролиза при 700 °C с электролитом из натрия, калия и хлорида плутония, вольфрамовым или танталовым катодом. Таким образом получается 99.99% плутоний. Более новые способы базируются на прямом пирохимическом восстановлении и электрорафинировании плутониевого оксида. Среди преимуществ этих методов - меньшее количество утилизируемых отходов производства. Обработка расплавленного плутония и литье плутония осуществляется сегодня из оборудования, сделанного из слегка окисленного тантала. Литейные формы могут изготовляться из графита, мягкой стали или чугуна, если они покрыты фторидом кальция или оксидом циркония или иттрия.
Токсичность плутония
Хотя плутоний, по-видимому, химически токсичен, как и любой тяжелый металл, этот эффект выражается слабо по сравнению с его радиотоксичностью. Токсические свойства плутония появляются как следствие альфа-радиоактивности. Альфа частицы представляют серьезную опасность только в том случае, если их источник находится в теле (т.е. плутоний должен быть принят внутрь). Хотя плутоний излучает еще и гамма-лучи и нейтроны, которые могут проникать в тело снаружи, уровень их слишком мал, чтобы причинить сильный вред.
Альфа-частицы повреждают только ткани, содержащие плутоний или находящиеся в непосредственном контакте с ним. Значимы два типа действия: острое и хроническое отравления. Если уровень облучения достаточно высок, ткани могут страдать острым отравлением, токсическое действие проявляется быстро. Если уровень низок, создается накопляющийся канцерогенный эффект.
Плутоний очень плохо всасывается желудочно-кишечным трактом, даже когда попадает в виде растворимой соли, впоследствии она все равно связывается содержимым желудка и кишечника. Загрязненная вода, из-за предрасположенности плутония к осаждению из водных растворов и к формированию нерастворимых комплексов с остальными веществами, имеет тенденцию к самоочищению.
Поглощение 500 мг плутония как мелкораздробленного или растворенного материала может привести к смерти от острого облучения пищеварительной системы за несколько дней или недель. Вдыхание 100 мг плутония в виде частиц оптимального для удержания в легких размера ведет к смерти от отека легких за 1-10 дней. Вдыхание дозы в 20 мг ведет к смерти от фиброза примерно за 1 месяц . Для доз много меньших этих величин проявляется хронический канцерогенный эффект.
Для хронического действия, плутоний должен долгое время присутствовать в организме человека. Вдыхание частиц подходящего для удержания в легких размера (1-3 микрона) весьма вероятно ведет к постоянному нахождению их там (детонация взрывчатки, не повлекшая за собой ядерный взрыв, может превратить 20-50% плутония в такую форму). Самая вероятная химическая форма, попадающая в тело, это оксид плутония. Оксид используется в реакторном топливе и частицы металлического плутония быстро окисляются на воздухе. Оксид почти нерастворим в воде.
На протяжении всей жизни риск развития рака легких для взрослого примерно зависит от количества попавшего в тело плутония. Прием внутрь 1 мигрограмма плутония представляет риск в 1% развития рака (нормальная вероятность рака 20%). Соответственно 10 микрограмм увеличивают риск рака с 20% до 30%. Попадание 100 микрограмм или более виртуально гарантируют развитие рака легких (обычно через несколько десятилетий), хотя свидетельства повреждения легких могут появиться в течении нескольких месяцев.
Плутоний обычно содержится в биологических системах в степени окисления +4, имея химическое сходство с Fe 3+. Если он проникнет в систему кровообращения, то с большой вероятностью начнет концентрироваться в тканях, содержащих железо: костном мозге, печени, селезенке. Если 1.4 микрограмма разместятся в костях взрослого человека, в результате ухудшится иммунитет и через несколько лет может развиться рак. Международная комиссия по радиологической защите установила норму ежегодного поглощения на уровне 280 нанограмм. Это значит, что для профессионального облучения концентрация плутония в воздухе не должна превышать 7 пикокюри/м3. Максимально допустимая концентрация Pu-239 (для профессионального персонала) 40 нанокюри (0.56 микрограмма) и 16 нанокюри (0.23 микрограмма) для легочной ткани.
Период биологического полувыведения плутония 80-100 лет при нахождении в костной ткани, т.о. концентрация его там практически постоянна. Период полувыведения из печени - 40 лет. Хелатные добавки могут ускорить выведение плутония.
Изотопы плутония
Pu-238
Этот изотоп имеет интенсивность самопроизвольного деления 1.1x106 делений/с*кг (в 2.6 раза больше Pu-240) и очень высокую тепловую мощность: 567 Вт/кг. Он обладает очень сильной альфа-радиоактивностью (в 283 раза сильнее Pu-239), что делает его много более серьезным источником нейтронов от реакций альфа частица -> n. Содержание плутония-238 редко когда превышает 1% от общего состава плутония, однако излучение нейтронов и нагрев делают его очень неудобным для обращения. Удельная радиоактивность 17.5 кюри/г.

Pu-239
Pu-239 - единственный подходящий изотоп для оружейного использования, остальные изотопы рассматриваются только из-за их вредного действия. Pu-239 имеет большие сечения рассеивания и поглощения, чем уран и большее число нейтронов в расчете на одно деление, и, соответственно, меньшую меньшую критическую массу.
Чистый Pu-239 имеет среднюю величину испускания нейтронов от спонтанного деления примерно 30 нейтронов/с*кг (~10 делений/с*кг). Принимая во внимание малость критической массы, 6 кг или менее, пушечная плутониевая бомба может быть создана при наличии исключительно чистого плутония-239. Кроме того, из-за сильной альфа-радиоактивности доля включения легких элементов не должна превышать нескольких частиц к миллиону, для избежания реакций альфа частица -> n.
Относительно короткое время полураспада Pu-239 (по сравнению с U-235) подразумевает значительное выделение энергии при радиоактивном распаде. Pu-239 производит 1.92 Вт/кг. Это выше, чем средняя теплота обмена веществ у взрослого человека. Как следствие, на ощупь плутоний достаточно теплый. Если кусок плутония хорошо теплоизолировать, он разогреется до температуры свыше 100 °C за два часа и вскоре до точки перехода альфа в бета фазу. Такой разогрев представляет проблему для конструирования оружия из-за изменения объема, фазовых переходов нестабилизированниго плутония.
Удельная активность плутония-239 61.5 милликюри/г.
В США плутоний-239 производится в Хэнфорде, шт. Вашингтон и Саванне, шт. Джорджия.

Pu-240
Плутоний-240 - основной изотоп, загрязняющий оружейный Pu-239. Уровень его содержания главным образом важен из-за интенсивности спонтанного деления - 415 000 делений/с*кг, но испускается примерно 1 000 000 нейтронов/с*кг так как каждое деление рождает примерно 2.2 нейтрона - примерно в 30 000 раз больше, чем у Pu-239. Наличие всего 1% этого изотопа производит так много нейтронов, что пушечная схема заряда уже неработоспособна и для производства эффективной бомбы требуется имплозия. В стандартном оружейном плутонии содержание Pu-240 не превышает 6.5%. Более высокие уровни приведут к предетонации (и уменьшению заряда) даже с очень быстрой имплозией.
Pu-240 хорошо делится, слегка лучше U-235. Однако высокие концентрации такого изотопа увеличивают требуемую критическую массу, таким образом ухудшая проблему нейтронного фона. Вследствие короткого времени жизни (1/4 от Pu-239), тепловой выход соответственно выше, 7.1 Вт/кг, обостряя проблему перегрева.
Удельная активность плутония-240 227 милликюри/г.

Pu-241
Этот изотоп так же делим, как и Pu-239, имеет низкий нейтронный фон и умеренную тепловую мощность и потому непосредственно не влияет на удобство применения плутония. Он распадается через 14 лет в америций-241, который очень плохо делится и создает много тепла: 106 Вт/кг. Если оружие первоначально содержит Pu-241, через несколько лет или десятилетий его реакционная способность падает, и это должно приниматься в расчет при проектировании, чтобы избежать уменьшение мощности заряда и увеличения самонагрева. Сам Pu-241 сильно не нагревается (всего 3.4 Вт/кг) несмотря на свой очень короткий период полураспада благодаря очень слабому бета-распаду.
Удельная активность плутония-241 106 кюри/г.

Pu-242
Продолжение следует...