Прецизионный одноступенчатый ядерный заряд мощностью до 1 Ктн. Новая надежда Америки?

По существу.
Я могу насчитать минимум ТРИ идеи как сделать мини-ядерную бомбу.
Самая простая и древняя идея - гидридная бомба (о ней я тут однажды уже спорил).
Я нашел в англоязычном интернете статью, авторы которой думают так же.
Статья спорная. Поэтому я ее перевел не всю а только начало.

первая публикация - 4 сентября 2015



Ян Гринхалх совместно Джеффом Смитом.

Сейчас мы находимся на стадии разработки пятого поколения ядерного оружия, что означает, что существует целый ряд различных типов ядерного оружия, и они существенно отличаются по эффективности от того оружия, с которым мы знакомы по всем этим киножурналам 1950-х годов об огромных атомных взрывах.

* * *

Современное ядерное оружие 5-го поколения часто имеет гораздо меньшую мощность, чем бомбы Хиросимы и Нагасаки, с выходом менее 1 килотонны (1000 тонн в тротиловом эквиваленте). У него также иная динамика взрыва - вместо одного мощного короткого взрыва у его может быть намного более длительное время горения, что производит визуальные эффекты, которые выглядят совсем по-другому.
Вот почему важно кое-что узнать об этих новых типах оружия и о том, как его взрывы будут выглядеть визуально, поскольку это позволит лучше идентифицировать ядерные инциденты в будущем; позволяя людям различать обычные взрыв на складе, битком набатом ракетным топлива от настоящего ядерного взрыва.



Микроядерный тест на маленьком трейлере, показывающий, насколько маломощными могут быть это 5-е поколение.

Не надо самих себя обманывать, мы вступили в опасную новую эпоху, когда использование этого нового передового ядерного оружия малой мощности станет все более распространенным явлением; поэтому нам всем необходимо больше информации об этом оружии, чтобы все труднее можно было скрытно использовать его для совершения террора.

* * *

Уран-гидридная бомба представляет собой вариант конструкции атомной бомбы, впервые предложенный еще в 1939 году. В ней используется дейтерий, изотоп водорода, в качестве замедлителя нейтронов в имплозивном оружии на основе U235. Здесь нейтронная цепная реакция представляет собой замедленный процесс ядерного деления по сравнению с процессом ядерного деления быстрыми нейтронами в обычном заряде.

Из-за использования более медленно движущихся нейтронов в цепном процессе, на итоговый выход взрывной мощности бомб охлаждение нейтронов оказывает отрицательно влияет, поскольку оно растягивает во времени процесс размножения нейтронов или снижает скорость производства альфа. Достоверно известно, что две уран-гидридные бомбы были испытаны еще в 1950-х годах, при испытательных взрывах Рут и Рэй (Ruth and Ray) в ходе операции Upshot-Knothole, в 1956 году. Испытания выдали мощность, сравнимую примерно с 200 тоннами тротила каждое. Тем не менее, в то время оба теста считались неэффективными. Так как тогда была тенденция создавать оружия с большим взрывом выходом и технология была отложена на более чем 20 лет.


В конструкции такого ядерного оружия на замедленном или медленном делении, дейтерий в форме гидрида урана (UH3) или гидрида плутония (PUH3) замедляет (притормаживает) нейтроны, тем самым увеличивая сечение деления нейтронов. В результате достигается гораздо меньшая критическая масса и, следовательно, более компактное оружие, в котором снижается количество U235 или плутония PU239, необходимого для инициации взрыва. Результатом оригинальной конструкции 1956 года было то, что более медленные нейтроны слишком сильно растягивали во времени реакцию и снижали общую мощность взрыва на выходе.

Этот эффект состоял в том, что сильно увеличивалось время между последующими событиями рождения нейтронов, которые необходимы для быстро нарастания взрыва, и это создает проблему в удержании условий для продолжения взрывного процесса; инерция, которая используется для удержания бомб имплозивного типа, не может удержать достаточно долго подобную реакцию по времени. Конечным результатом является взрыв с заметно более низкой урожайностью и с очень долгим временем горения вместо мощного ядерного взрыва. Прогнозируемый выход энергии будет порядка 1 т или 1000 т в тротиловом эквиваленте до 5 тысяч тонн эквивалента, вместо стандартного 20-килотонного взрывного выходя для того же количества используемого делящегося материала.

В классическом ядерном оружии критическая масса должна более или менее мгновенно породить взрывной процесс. Однако, если половина критической массы, U235 или U239, подвергается делению замедленными (тепловыми) или приторможенными (промежуточному) нейтронами, процесс будет продолжаться до тех пор, пока альфа-усиление (коэффициент производства нейтронов) будет положительным. Это вовлекает в процесс достаточное количества атомов, хотя его все еще недостаточно для мощного взрыва; Всегда будет выделяться достаточно энергии, в виде гамма или тормозного излучения, и условия процесса быстро "исчезают", прежде чем все это по-настоящему сильно взорвется. Несгоревшее дейтериевое топливо можно затем выгореть в огненном шаре, когда уже производство нейтронов или коэфициент альфа начинает затухать. Это можно достигнуть путем еще большего снижения критической массы путем добавления смеси гидратов лития 6 и дейтерия в сборку перед ее сжатием. Конечный результат - это то, что раньше называлось "хлопок" ("пшик"). В результате, вместо 20-килотонного вы получите только 5-килотонный взрыв, но он будет идти гораздо более длительное время в виде горения плазменного огненного шара.

* * *

продолжение - читайте через переводчик.

И так. Кандидат номер один - гидридная бомба. Возможно?

Давайте прикинем что нам может дать гидрид.

Гидрид урана имеет плотность примерно в два раза меньше чем металлический уран 11 г/см3 (вместо 19 г/см3). На одно ядро урана в нем три атома водорода (вернее дейтерия). Задача замедлитеря - ПРИТОРМОЗИТЬ нейтроны. Это по-идее должно заметно уменьшить критическую массу сборки и как следствие, количество распыленного, непрореагировавшено в малом боеприпасе ценного актиноида. Мы будем все считать от урана, так как уран и дешевле плутония и "экологически чище" (как бы кому кощунственно это не показалось).
За основу рассуждений берем две странички от Феоктистов Л. П. Из прошлого в будущее
Критический размер пропроционален свободному пробегу нейтрона в сборке:



"ро" - плотность сборки, "сигма" - сечение взаимодействия (деления). Отсюда масса сборки - квадрат параметра:

(1)

Критическая масса сферы из урана 235 имеет массу 52 кг.
Первый способ снизить эту массу - окружить ее отражателем. В "Лос-Аламасском букваре" показано что толстый отражатель теоретически снижает критическую массу в 4 раза.
Толстый отражатель из тяжелого материала хорошо заменяется более легким и тонким берилием, который имеет альбедо для нейтронов выше 1 (то есть возвращает нейтронов в критсборук больше чем на него упало).
То есть окружив берилием шар урана-235 вы можете уменьшить критическую массу до 13 кг.
Следующий шаг. Смотрим форумулу (1). Мы можем сжать материал. Как сказано у того же Феоктистова
для сжатия металла (на нашем уровне нет особой разницы какого) в 2 -2.5 раза нужно на 1 кг использовать 10 кг хорошей взрывчатки и качестввенная схема имплозии. Сжав нашу сборку в 2-2.5 раза мы уменьшим критическую массу еще в 4- 6,25 раз. То есть еще уменьшить массу критической сборки до 3,25-2 кг.
Реальный заряд должен быть в 3-4 раза больше (если мы не используем бустирование, то есть тритий).
То есть нормальная масса урана в нормальной чисто урановой сборке (обычно используют компазитный пит в центре плутоний - вокруг обогащенный уран) имеем 6-18 кг урана.
Это заряд номинальной мощности (с делением ~ 10% от заряженного и выходом 10-20 кт). По-сути все тонкие ущищнерия создателей зарядов сводятся уже к тому чтобы зарядить 6, а не 18 кг (опять же, бустирование мы тут не вспоминаем).
Если мы хотим получить взрыв малой мощности, в 0.1-0.01 кт, то нам не нужно 3-4-х кратного превышение критичности. Можно перейти критичность всего в 2 - 1.5 раза. То есть зарядить в пит маломощного заряда (типа ранцевой бомбы или Дэви Крокета) 6-3 кг. Ну а если вы такой заряд бустируете то вы получите номинальную мощность (20-40 кт).
Можно ли еще снизить критическую массу?
Можно сжимать еще сильней. Но это потребует заметного увеличения массы взрывчатки. Но в формуле (1) у нас есть еще один фактор - сигма - сечение взаимодейтсвия. Если его поднять, это существенно снизит критичесую массу. Например сигма плутония чуть больше сигры урана, и это приводит к тому что сфера из плутония имеет критичесую массу всего в 11 кг.
Мы знаем, что если замедлить нейтроны, то можно увеличить сечение взаимодействие. Но проблема в том, что взаимодействие не огнаничивается делением. Есть сечение рассеения (только в одном из черырех столкновений нейтрон делит, а в трех - упруго отскакивает), есть сечение неупругого рассеивания, есть сечение поглащения (и ядро 235 вместо того что бы распастья испускае гамму и начинет трансмутировать). Поэтому так просто сказать будет ли толк от некоторого замедления нейтронов - сложно.
Мои потуги "на салфетке".




Если верить этому графику, то есть смысл замедлять нейтроны только в 100 раз (до примерно 10 кэВ) и это позволяет поднять сечение деления урана примерно в 3.5 раза. То есть, критическая масса снижается еще более чем в 12 раз! (при прочем равном, в частности плотности урана, а в гидриде она ниже).
Но по графику видно, что помимо сечения деления быстро растет и сечение захвата (выделено темно-синим) не только 238 но даже 235-го! Еще немного торможения и захват становится более вероятным чем деление (область возможного для бомбы я выделил желтым) и так продолжается до энергий нейтронов в электронвольты, что выделено синим (область реакторных цепных процессов).

В общем, гидридная бомба, если и может работать, то она работает "на краю". Требует очень точной настройки всей конструкции. Но интересно все же прикинуть возможности. Если мы допустим, что гидрид сжиматся примерно так же как и обычный уран, то при сжатии того в 2.7 раза с хорошим бериллиевым отражателем (толщиной не меньше радиуса сжатой сборки) то можно рассчитывать на критическую массу в ... 660 грамм ВОУ.
При этом, возможно, нам и не нужен ВОУ. Влияние 238-го тут может оказаться незначительным (второй тест 1956-го выдал те же 200 т ТНТ что и первый, хотя в нем заряжался уран куда меньшего обогащения).
Моя гипотеза на рисунке отмечена темно-синим и красным столбиком. Видно что сечение захвата в нашей рабочей области у 235-го растет быстрей чем у 238-го, поэтому наличие 238-го не сильно и влияет на динамику процесса.
Если мы зарядим в гидридную бомбу три критических массы (то есть хотим получить максимальный выход в примерно 200 т ТНТ) то нам нужен шарик гидрида в 7 см диаметром и массой почти 2 кг.

Конечно, наша битва за снижение критической массы для урана (плутоний мы вообще не рассматриваем пока) за счет притормаживания нейтронов не может быть безнаказанной.
Во-первых у нас растягивается "тау" - время удвоения поколений. И это главная причина, почему такая бомба не может выдать нам полноценные килотонны. Если мы уменьшили энергию нейтронов в 100 раз, это означает что скорость нейтронов упала в 10 раз. И значит интервал между поколениями так же растянулся в 10 раз. А это показатель в экспоненте же! Хотя, не все так плохо.
Мы же ведь используем имплозию. А это значит что мы уменьшаем расстояние между атомами урана в корень из сжатия. 2.7 раза сжали, расстояние уменьшилось в 1.6 раз. Значит и сжали тау. Не бог весть во сколько. Но учитывая что у нас цепной процесс (экспонента) то эффект от такого сжатия на общее количество нейтронов получается ехр(1.6) ~ 5 раз.
Не зря в пушечной схеме мы можем получить лишь ~ 1 % выгорания, а при сжатии всего в 2-2.5 раза при имплозии уже более 10%.
В гидридной бомбе имплозия так же является, видимо, единственной подпоркой, ускоряющей цепной процесс (и только имплозивная гидридная бомба может взорваться).
Все остальное работает на его тушение. Например, если у вас слишком много замедлителя, у вас нейтроны начнут слишком быстро тормозить.



Хитрость в том, что бы в сборке, в среднем, каждый нейтрон прошел не более 4-5 столкновений с замедлителем иначе он замедлится слишком сильно, а это - его потеря для процесса взрыва. Да, до тепловых нейтронов ему будет еще далеко (18 столкновений) но сильно замедлившись он как бы "исчезнет" из цепного процесса. Он будет в сборке, но он будет "в пути". Это можно было бы ввести в расчет критичности как своего рода дополнительно "поглощение" нейтронов.
В общем. Тут масса нюансов. Нужно, видимо, хорошее моделирование. А учитывая гидродинамику, все становится совсем туманным. Сборка ведь себя ведет как жидкость и в сущности при сжатии она никогда не имеет одинаковую плотность, в каком то месте она сжата сильно (на фронте ударной волны), в каком то месте слабо (далеко за фронтом)...



...точный расчет подобного устройства становится задачей для совсем умных...
Ударная волна сжатия сначала движется в центр пита, потом отражается...
В общем, все очень сложно.
Не зря птенцы Эдварда Тэллера в новой бомбовой лаборатории полезли эксперементировать и их эксперимент не совпал с рачетами (видимо их расчетные модели даже в 1956-м были слишком грубыми и чересчур оптимистичными).

Однако. Я все же рискну предположить, что можно выжать таки 200 тонн ТНТ из 2 кг гидрида урана (3 критических массы) использовав для сжатия 20 кг октогена. И я решил прикинуть как это будет выглядеть. Нарисовал все в масштабе 1 к 1 (что бы "пощупать" глазами конструкцию). У меня получилось вот что




Нажмите в просмотрщике "реальный масштаб". Тогда вы ощутит реальные габариты.
Это конечно художество. При этом я показал монолоитный пит (что глупость, надо в центре оставить половину массы, а остальную - раскатать в полую сферу вплотную к бериллию). Взрывная линза здесь - "Лебедь". В итоге батон получился очень даже крупным... 30 см в диаметре и массой под 50 кг.
Это, я думаю, предел портативности для подобного изделия.

Главный тут вопрос -цена. Пусть я перестраховался с 3 критмассами. Допустим хватит 2-х или даже 1.5. Это позволит использовать в пите не 90% ВОУ а всего 75 или даже 50% обогащения. Такой уран много дешевле (если гидридная бомба не чувствительна к степени обогащения, а это возможно ее конек). Тогда подобных "батонов" можно было бы налепить достаточно много и достаточно массово их применять на поле боя.

Я под это дело даже придумал АИ (альтернативную историю). Мол, война с немцами затянулась до 1947-го и боши таки схватились за задницу в 1945-м (там вообще было перемирие с 1944-го до 1946-го) и начали делать бомбу. И вот тогда сумрачный германский гений начал бы делать не супербомбу для одного большого фейерверка (не серьезно это), а запустил бы производство вот таких вот более дешевых и массовых гидридных девайсов под малую мощность (ведь эффективность в зоне разрушения падает с корнем кубическим от мощности!) и начал бы засыпать противника на фронтах с блицбомберов десятками гидридных атомных бомб, полагая что лучше сорок раз по разу чем ни разу сорок раз. Даже начал наклевываться сюжет для статической кампании в "Ил-2 1946" (ведь внешне взрыв в 100 тонн тнт мало отличается от взрыва в 5-8 т тнт, который можно организовать в редакторе миссий засыпав карту ударами внезапно появляющихся прямо у цели "мистралей" и организовать под крылом игрока настоящий "ад и Израиль". Игрок у нас конечно всего лишь наружный наблюдатель. Он у нас истребитель на Ta-183).

Гидридная бомба - это только один вариант нового поколения ЯО (первый вариант, но не последний). Пятого, четвертого поколения (или второго-бис) - не суть важно.
Товарищи в статье выше, как мне кажется "гонят беса", уверяя что подобное оружие уже давно используется (они там прям кучу фоток приводят).
Занимательно и то, что авторы статьи уверены, что раз гидридная бомба ТЕОРЕТИЧЕСКИ "горит" медленней, то и эффект ее взрыва окажется иным, не таким как у "обычной" атомной (водородной) бомбы.
Но я думаю что это глупость.
Разница между 8 и 7-ю порядками "на глаз" неотличима и поэтому гидридная бомба будет взрываться так же как и обычная. Вспышка, ударная волна. Никакого "медленного горения"....





Ну и радиоактивный фон. Как не верти, но будет наведенная радиация и будет выпадение высокоактивных продуктов деления. При этом так как подобный взрыв, в основном "наземный" (близко к поверхности или на самой поверхности) выпадение тех граммов продуктов деления будет хоть и очень локальным (гриб высоко не поднимается и далеко не уносит "перегар"), но очень плотным (и поэтому в очень малом месте будет очень сильное заражение первые сутки). Плюс наведенная вспышкой нейтроном радиация тоже будет не хилой первое время. Не думаю, что применение подобных устройств можно реально долго скрывать. Были бы явно пострадавшие от лучевой болезни.
Хотя... В нашем сумасшедшем мире... "Есть много друг Гораций такого, ...."

Еще. Если концепция столь старая (по сути еще с 1943-го года рождения. Не зря там в статье в недопереведенной мной части приводятся и слова Опенгеймера о гидриде для бомбы) то что тут нового?
Новое - чудовищное падение цены на ВОУ за счет доведения технологии центрифугирования до предела совершенства. Новое что нарезая по 2 кг обогащенного до 50% урана, какой-нибудь Пакистан может себе позволить наделать тысячи и тысячи "обычных" боеприпасов повышенной мощности (или Великая Корея перестанет догонять и начнет лидировать?) для массового применения именно на поле боя. Себестоимость ВОУ за пол века упала в цене на несколько порядков (надо поднять данные насколько точно). Центрифуги творят чудеса. При этом рыночная цена - не показатель (его цена - как цена золота, скорей предмет даже политических, а не экономических спекуляций, хотя правда видимо в комбинации и того и другого).