Tamper (kärnvapen)

För annan användning, se Tamper (disambiguation) .

En sabotage är ett valfritt lager av tätt material som omger det klyvbara materialet . Det används i kärnvapendesign för att minska den kritiska massan av ett kärnvapen och för att fördröja expansionen av det reagerande materialet genom dess tröghet . På grund av sin tröghet fördröjer den den termiska expansionen av klyvningsbränslemassan, vilket håller den superkritisk längre. Ofta fungerar samma lager både som sabotage och som neutronreflektor . Vapnet sönderfaller när reaktionen fortskrider och detta stoppar reaktionen, så användningen av en sabotage ger en mer långvarig, mer energisk och effektivare explosion. Utbytet kan ökas ytterligare genom användning av en klyvbar manipulation.

De första kärnvapnen använde tunga manipulationer av naturligt uran eller volframkarbid , men en kraftig manipulering kräver ett större högexplosivt implosionssystem och gör hela enheten större och tyngre. Det primära steget av ett modernt termonukleärt vapen kan istället använda en lätt berylliumreflektor , som också är genomskinlig för röntgenstrålar när den joniseras , vilket gör att primärets energiutgång snabbt kan strömma ut för att användas för att komprimera sekundärsteget. Mer exotiska manipuleringsmaterial som guld används för speciella ändamål som att sända ut stora mängder röntgenstrålar eller maximera eller minimera radioaktivt nedfall .

Medan effekten av en manipulering är att öka effektiviteten, både genom att reflektera neutroner och genom att fördröja bombens expansion, är effekten på den kritiska massan inte lika stor. Anledningen till detta är att reflektionsprocessen är tidskrävande. När reflekterade neutroner kommer tillbaka till kärnan har flera generationer av kedjereaktionen passerat, vilket innebär att bidraget från den äldre generationen är en liten bråkdel av neutronpopulationen.

Fungera

I Atomic Energy for Military Purposes (1945) beskrev fysikern Henry DeWolf Smyth funktionen hos en sabotage i kärnvapenkonstruktion som liknar neutronreflektorn som används i en kärnreaktor :

Ett liknande hölje kan användas för att minska bombens kritiska storlek , men här har höljet en ytterligare roll: själva trögheten fördröjer expansionen av det reagerande materialet. Av denna anledning kallas ett sådant kuvert ofta för en sabotage. Användning av en sabotage ger helt klart en längre varaktig, mer energisk och effektivare explosion.

Historia

Konceptet att omge kärnan av ett kärnvapen med en manipulation introducerades av Robert Serber i hans Los Alamos Primer , en serie föreläsningar som hölls i april 1943 som en del av Manhattan Project , som byggde de första kärnvapnen . Han noterade att eftersom tröghet var nyckeln var de tätaste materialen att föredra, och identifierade guld , rhenium , volfram och uran som de bästa kandidaterna. Han trodde att de också hade goda neutronreflekterande egenskaper, även om han varnade för att mycket mer arbete behövde göras på detta område. Med hjälp av elementär diffusionsteori förutspådde han att den kritiska massan för ett kärnvapen med en manipulering skulle vara en åttondel av den för ett identiskt men otämpat vapen. Han tillade att det i praktiken bara skulle handla om en fjärdedel istället för en åttondel.

Serber noterade att neutronreflektionsegenskapen inte var så bra som den först kan verka, eftersom neutronerna som återvänder från kollisioner i sabotage skulle ta tid att göra det. Han uppskattade att det kan ta cirka ^10–7 sekunder för en uranmanipulation. När reflekterade neutroner kommer tillbaka till kärnan har flera generationer av kedjereaktionen passerat, vilket innebär att bidraget från den äldre generationen är en liten bråkdel av neutronpopulationen. De återkommande neutronerna skulle också bromsas av kollisionen. Det följde att det krävdes 15 % mer klyvbart material för att få samma energifrisättning med en guldmanipulation jämfört med en uran, trots att de kritiska massorna skiljde sig med 50 %. Vid den tiden var de kritiska massorna av uran (och i synnerhet plutonium ) inte exakt kända. Man trodde att uran med en uranmanipulation kunde vara cirka 25 kg, medan plutonium skulle vara cirka 5 kg.

Little Boy -uranbomben som användes vid atombombningen av Hiroshima hade en manipulering av volframkarbid (WC). Detta var viktigt inte bara för neutronreflektion utan också för dess styrka för att förhindra projektilen från att blåsa genom målet. Sabotage hade en radie på 17,5 centimeter (6,9 tum) och en tjocklek på 11,3 centimeter (4,4 tum), för en massa på 317 kilogram (699 lb). Detta var ungefär 3,5 gånger massan av det klyvbara materialet som användes. Volframkarbid har en hög densitet och ett tvärsnitt med låg neutronabsorbans. Anledningen till att utarmat uran trots att det var tillgängligt i mängd för Manhattan-projektet inte användes är att det fortfarande har en relativt hög spontanklyvningshastighet på cirka 675 per kg per sekund. En manipulering av 300 kg utarmat uran skulle därför ha en oacceptabel chans att initiera en predetonation . Volframkarbid användes ofta i kärnvapen av uran-233 -typ som användes med artilleripjäser av samma anledning.

I W88- stridsspetsen använder den primära en lätt berylliummanipulation , medan den sekundära har en tungviktsuran -235 .

Det finns fördelar med att använda en klyvbar manipulering för att öka utbytet. Uran-238 kommer att klyvas när det träffas av en neutron med 1,6 megaelektronvolt (0,26 pJ ), och ungefär hälften av de neutroner som produceras av klyvningen av uran-235 kommer att överskrida denna tröskel. Men en snabb neutron som träffar en uran-238 kärna är åtta gånger så stor sannolikhet att vara oelastiskt spridd som att producera en klyvning, och när den gör det bromsas den till punkten under klyvningströskeln för uran-238. I Fat Man -typen som användes i Trinity-testet och i Nagasaki, bestod manipuleringen av 7,0 centimeter (2,75 tum) skal av naturligt uran och aluminium. Det uppskattas att upp till 30 % av utbytet kom från klyvning av naturligt uranmanipulation. Av detta uppskattades att 14,5 ton TNT (61 GJ) av avkastningen på 21 kiloton TNT (88 TJ) bidrog med fotoklyvningen av manipuleringen.

I ett förstärkt klyvningsvapen eller ett termonukleärt vapen kan 14,1-megaelektronvolt (2,26 pJ) neutroner som produceras av en deuterium - tritium -reaktion förbli tillräckligt energiska för att klyva uranium-238 även efter tre kollisioner med deuterium, men 2,39 vol-3J. ) de som produceras av deuterium-deuteriumfusion har inte längre tillräcklig energi efter ens en enda kollision. En uran-235 sabotage kommer att klyvas även med långsamma neutroner. En med högt anrikat uran är därför effektivare än en utarmat uran, och en mindre sabotage kan användas för att uppnå samma utbyte. Användningen av anrikat uranmanipulation blev därför vanligare när anrikat uran blev mer rikligt. Torium kan också användas som klyvbar manipulation. Den har en atomvikt nästan lika hög som uran och en lägre klyvningsbenägenhet, vilket innebär att manipuleringen måste vara mycket tjockare.

En viktig utveckling efter andra världskriget var den lätta berylliummanipulationen . I en förstärkt anordning ökar de termonukleära reaktionerna kraftigt produktionen av neutroner, vilket gör manipuleringsegenskapen mindre viktig. Beryllium har ett lågt, långsamt neutronabsorberande tvärsnitt, men ett mycket högt spridningstvärsnitt. När det träffas av högenergineutroner som produceras av fissionsreaktioner avger beryllium neutroner. Med en 10-centimeter (4 tum) berylliumreflektor är den kritiska massan för höganrikat uran 14,1 kg, jämfört med 52,5 kg i en otämpad sfär. En berylliummanipulation minimerar också förlusten av röntgenstrålar, vilket är viktigt för en termonukleär primär, som använder sina röntgenstrålar för att komprimera sekundärsteget.

Berylliummanipuleringen hade övervägts av Manhattan Project, men beryllium var en bristvara, och experiment med en berylliummanipulation började inte förrän efter kriget. Fysikern Louis Slotin dödades i maj 1946 i en kritisk olycka där en var inblandad. En anordning med en berylliummanipulation testades framgångsrikt i Operation Tumbler–Snapper How, som sköts den 5 juni 1952, och sedan dess har beryllium använts i stor utsträckning som en termonukleär manipulation.

I termonukleära enheter fungerar sekundärens manipulering (eller "pusher") inte bara för att reflektera neutroner, begränsa fusionsbränslet med dess tröghetsmassa och förbättra utbytet med dess klyvningar producerade av neutroner som emitteras från de termonukleära reaktionerna, den hjälper också till att driva strålningsimplosion och förhindra förlust av termisk energi. Av denna anledning är den kraftiga manipuleringen fortfarande att föredra.

Alternativa material

Torium kan också användas som klyvbar manipulation. Den har en atomvikt nästan lika hög som uran och en lägre klyvningsbenägenhet, vilket innebär att manipuleringen måste vara mycket tjockare. Det är också möjligt att en stat som vill utveckla kärnvapenkapacitet kan lägga till plutonium av reaktorkvalitet till en manipulering av naturligt uran. Detta skulle orsaka problem med neutronemissioner från plutoniumet, men det kan vara möjligt att övervinna detta med ett lager av bor-10 , som har ett högt neutrontvärsnitt för absorption av de långsamma neutroner som klyver uran-235 och plutonium- 239 , men ett lågt tvärsnitt för absorptionen av de snabba neutroner som klyver uran-238. Den användes i termonukleära vapen för att skydda plutoniumtändstiftet från herrelösa neutroner som sänds ut av uran-238-manipuleringen. I Fat Man-typen var den naturliga uranmanipuleringen belagd med bor .

Icke klyvbara material kan också användas som manipulationer. Ibland ersattes dessa med klyvbara i kärnvapenprov , där hög avkastning var onödig. Det vanligaste icke-klyvbara manipuleringsmaterialet är bly , som är både allmänt tillgängligt och billigt. Brittiska konstruktioner använde ofta en bly- vismutlegering . Vismut har det högsta atomnumret av något icke-klyvbart manipuleringsmaterial. Användningen av bly och vismut minskar radioaktivt nedfall, eftersom ingen av dem producerar isotoper som avger betydande mängder gammastrålning när de bestrålas med neutroner.

W71 - stridsspetsen som användes i den spartanska antiballistiska missilen LIM-49 hade en guldmanipulation runt sin sekundära för att maximera dess uteffekt av röntgenstrålar, som den använde för att göra inkommande kärnstridsspetsar oförmögna. Bestrålningen av guld-197 producerar guld-198, som har en halveringstid på 2,697 dagar och avger 0,412 megaelektronvolt (0,0660 pJ) gammastrålar och 0,96 megaelektronvolt (0,154 pJ) beta-partiklar . Den producerar därför kortlivad men intensiv strålning, som kan ha användning på slagfältet, även om detta inte var dess syfte i W71. Ett annat element som utvärderades av USA för ett sådant syfte var tantal . Naturlig tantal är nästan helt tantal-181, som när den bestrålas med neutroner blir tantal-182, en beta- och gammastrålare med en halveringstid på 115 dagar. Ett välkänt koncept för användning av ett alternativt material är koboltbomben .

Kobolt är dålig utsikt för en manipulering eftersom den är relativt lätt och joniserar vid 9,9 kiloelektronvolt (1,59 fJ), men naturlig kobolt är helt och hållet kobolt-59, som blir kobolt-60 när den bestrålas med neutroner. Med en halveringstid på 5,26 år kan detta ge långvarig radioaktiv kontaminering. Det brittiska kärnvapenprovet Tadje vid Maralinga använde koboltpellets som ett "spårämne" för att bestämma avkastningen. Detta underblåste rykten om att Storbritannien hade utvecklat en koboltbomb.

Fysik

Diffusionsekvationen för antalet neutroner i en bombkärna ges av:

${\frac {\partial N}{\partial t} }={\frac {v_{n}}{\lambda _{f}^{core}}}(\nu -1)N+{\frac {\lambda _{t}^{core}v_{n}} {3}}(\nabla ^{2}N)$

där $N$ är antalet densitet av neutroner, $v_{n}$ är den genomsnittliga neutronhastigheten, $\nu$ är antalet sekundära neutroner som produceras per fission, $\lambda _{f}^{core}$ är klyvningsmedelvärdet för fri väg och $\lambda _{t}^{core}$ är transportmedelvärdet för fri väg för neutroner i kärnan.

$N$ beror inte på riktningen, så vi kan använda denna form av Laplace-operatorn i sfäriska koordinater:

$\nabla ^{2}N={\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial } {\partial r}}{\bigl (}r^{2}{\frac {\partial N}{\partial r}}{\bigr )}$

Att lösa den separerbara partiella differentialekvationen ger oss:

$N_{core}(r,t)=N_{0 }e^{(\alpha /\tau )t}{\Bigl [}{\frac {sin(r/d_{core})}{r}}{\Bigr ]}$

var

$\tau =\lambda _{f}^{core}/v_{n}$

och

$d_{core}={\sqrt {\frac {\lambda _{f}^{ kärna}\lambda _{t}^{kärna}}{3(-\alpha +\nu -1)}}}$

För sabotage kan den första termen i den första ekvationen som hänför sig till produktionen av neutroner ignoreras, vilket lämnar:

${\frac {\partial N}{\partial t}}={\frac {\lambda _{t}^{core }v_{n}}{3}}(\nabla ^{2}N)$

Ställ in separationskonstanten som $\delta /\tau$ . Om $\delta =0$ (vilket betyder att neutrondensiteten i manipuleringen är konstant) blir lösningen:

$N_{tamper}={\frac {A}{r}}+B$

Där $A$ och $B$ är integrationskonstanter .

Om $\delta >0$ (vilket betyder att neutrondensiteten i manipuleringen växer) blir lösningen:

$N_{tamper} =e^{(\delta /\tau )t}{\Bigl [}A{\frac {e^{r/d_{tamper}}}{r}}+B{\frac {e^{-r/ d_{tamper}}}{r}}{\Bigr ]}$

var

$\displaystyle d_{tamper}={\sqrt {\frac {\lambda _{f}^{core}\lambda _{ t}^{kärna}}{3}}}}$

Serber noterade att vid gränsen mellan kärnan och sabotage, måste diffusionsströmmen av neutroner vara kontinuerlig, så om kärnan har radien $R_{core}$ då:

$N_{core}(R_{core})=N_{tamper}(R_{core} )$

Om neutronhastigheten i kärnan och manipuleringen är densamma, då är $\alpha =\delta$ och:

$\lambda _{t}^{core}{{\Bigl (}{\frac {\partial N_{core}}{\partial r}}{\Bigr )}}_{R_{core}}=\lambda _ {t}^{tamper}{\Bigl (}{\frac {\partial N_{tamper}}{\partial r}}{\Bigr )}_{R_{core}}$

Annars skulle varje sida behöva multipliceras med den relevanta neutronhastigheten. Också:

$N_{ tamper}(R_{tamper})=-{\frac {2}{3}}\lambda _{t}^{tamper}{\Bigl (}{\frac {\partial N_{tamper}}{\partial r }}{\Bigr )}_{R_{core}}$

För fallet där $\alpha =\delta =0$ :

${\Bigl [}1+{\frac {2R_{tamper}^ {threshold}\lambda _{t}^{tamper}}{3R_{tamper}^{2}}}-{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{R_{tamper}}}{\Bigr ] }{\Bigl [}{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}säng{\Bigl (}{\frac {R_{tamper} ^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}-1{\Bigr ]}+{\frac {\lambda _{t}^{tamper}}{\lambda _{t}^{core }}}=0$

Om manipuleringen är riktigt tjock, dvs $R_{tamper}\gg R_{tamper}^{threshold}$ detta kan uppskattas som:

$\displaystyle {\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}säng {\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=1-{\frac {\lambda _{t}^{tamper}}{\ lambda _{t}^{core}}}}$

Om manipuleringen (orealistiskt) är ett vakuum, skulle neutronspridningstvärsnittet vara noll och $\lambda _{t}^{tamper}=\infty$ . Ekvationen blir:

${\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}säng{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^ {threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=-\infty$

som är nöjd med:

${\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core }}}{\Bigr )}=\pi$

Om manipuleringen är mycket tjock och har neutronspridningsegenskaper som liknar kärnan, dvs.

$\lambda _{t}^{tamper}\sim \lambda _{t}^{core}$

Då blir ekvationen:

${\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}säng{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold }}{d_{core}}}{\Bigr )}=0$

som är nöjd när:

$\displaystyle {\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}=\ pi /2}$

I det här fallet är den kritiska radien dubbelt så stor som den skulle vara om det inte fanns någon sabotage. Eftersom volymen är proportionell mot radiens kub når vi Serbers slutsats att en åttafaldig minskning av den kritiska massan är teoretiskt möjlig.

Anteckningar

•    Arnold, Lorna ; Smith, Mark (2006). Storbritannien, Australien och bomben: kärnvapenproven och deras efterspel . Basingstoke: Palgrave Macmillan. ISBN 978-1-4039-2102-4 . OCLC 70673342 .
•    Hansen, Chuck (1988). USA:s kärnvapen: den hemliga historien . Arlington, Texas: Aerofax. ISBN 0-517-56740-7 . OCLC 749870939 .
•    Hansen, Chuck (1995a). Volym I: Utvecklingen av amerikanska kärnvapen . Swords of Armageddon: US Nuclear Weapons Development sedan 1945. Sunnyvale, Kalifornien: Chukelea Publications. ISBN 978-0-9791915-1-0 . OCLC 231585284 .
•    Hansen, Chuck (1995c). Volym III: Utvecklingen av amerikanska kärnvapen . Swords of Armageddon: US Nuclear Weapons Development sedan 1945. Sunnyvale, Kalifornien: Chukelea Publications. ISBN 978-0-9791915-3-4 . OCLC 231585284 .
•    Hansen, Chuck (1995e). Volym V: USA:s kärnvapenhistoria . Swords of Armageddon: US Nuclear Weapons Development sedan 1945. Sunnyvale, Kalifornien: Chukelea Publications. ISBN 978-0-9791915-5-8 . OCLC 231585284 .
•    Hoddeson, Lillian ; Henriksen, Paul W.; Meade, Roger A.; Westfall, Catherine L. (1993). Kritisk församling: En teknisk historia om Los Alamos under Oppenheimer-åren, 1943–1945 . New York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-44132-2 . OCLC 26764320 .
•     Khan, F A. (2020). "Uppskattning av fotoklyvningsutbytet för treenighetstestet" . Vetenskapliga rapporter . 10 (1): 4200. Bibcode : 2020NatSR..10.4200K . doi : 10.1038/s41598-020-61201-0 . ISSN 2045-2322 . PMC 7060208 . PMID 32144384 .
•   Reed, B. Cameron (augusti 2009). "En kort primer om stampade kärnor från fissionsbomb". American Journal of Physics . 77 (8): 730–733. Bibcode : 2009AmJPh..77..730R . doi : 10.1119/1.3125008 . ISSN 0002-9505 .
•    Reed, B. Cameron (2011). The Physics of the Manhattan Project (andra upplagan). Hedelberg Dordrecht London New York: Springer. ISBN 978-3-642-14708-1 . OCLC 1195449878 .
•   Reed, B. Cameron (september 2017). "Återbesök Los Alamos Primer" . Fysik idag . 70 (9): 42–49. Bibcode : 2017PhT....70i..42R . doi : 10.1063/PT.3.3692 . ISSN 0031-9228 .
•    Rhodes, Richard (1995). Dark Sun: The Making of the Hydrogen Bomb . New York: Simon & Schuster. ISBN 0-684-80400-X . OCLC 32509950 .
• Serber, Robert (1943). Los Alamos Primer . Berkeley: University of California.
•    Semkow, Thomas M.; Parekh, Pravin P.; Haines, Douglas K. (28 augusti – 1 september 2005). "Modellera effekterna av treenighetstestet". I Semkow, Thomas M. (red.). Tillämpad modellering och beräkningar inom kärnvetenskap . 230:e nationella mötet för American Chemical Society (ACS). ACS Symposium Series. Vol. 945. Washington, DC s. 142–159. ISBN 978-0-8412-3982-1 . OCLC 984760244 .
•   Smyth, Henry DeWolf (1945). Atomenergi för militära ändamål: Den officiella rapporten om utvecklingen av atombomben under USA:s regerings beskydd, 1940–1945 . Princeton: Princeton University Press. ISBN 978-0-8047-1722-9 .