Schematy głowic jądrowych

22
Schematy głowic jądrowych
Pierwsza masowo produkowana amerykańska bomba atomowa - Little Man. Osłona kadłuba jest zdjęta, widoczne są elementy lufy armaty z głównym ładunkiem. Zdjęcie Departamentu Obrony USA


W latach czterdziestych XX wieku. naukowcy z wiodących krajów opracowali pierwsze próbki jądrowe broń. Stworzenie sprawnej i gotowej do walki amunicji okazało się trudnym zadaniem. Konieczne było wymyślenie i wdrożenie projektu spełniającego kilka złożonych wymagań. Rezultatem tych poszukiwań w przyszłości było kilka różnych schematów broni jądrowej i szereg ich opcji. Część z nich została w Historie, podczas gdy inne udowodniły swoją skuteczność i są nadal używane.



schemat armaty


Pierwszą bronią nuklearną użytą w prawdziwym uderzeniu był amerykański produkt Little Boy („Kid”). 6 sierpnia 1945 roku został użyty przeciwko japońskiemu miastu Hiroszima. To było lotnictwo bomba z głowicą na bazie 64 kg uranu o rzeczywistej wydajności 15-18 kt TNT. Aby uprościć konstrukcję i przyspieszyć produkcję, wsad został zbudowany zgodnie z tzw. schemat armatni lub balistyczny.

Ładunek obwodu armaty miał dość prostą konstrukcję. Został zbudowany w wydłużonym cylindrycznym kadłubie - do tej pojemności użyto luf artyleryjskich o wystarczającym kalibrze. Wewnątrz lufy, na jej końcach, umieszczono dwa bloki podkrytycznego uranu-235. Jeden z nich był mobilny i wyposażony w ładunek prochowy: kiedy amunicja została uruchomiona, ten blok został dosłownie wystrzelony na drugi. Można również zapewnić źródło neutronów.


Schemat schematu bomby „Kid”. Bloki uranu zaznaczono na czerwono. Grafika Wikimedia Commons

Po połączeniu dwóch bloków ładunek uranu uzyskał masę nadkrytyczną, co doprowadziło do uruchomienia jądrowej reakcji łańcuchowej. Oddzielne źródło neutronów miało zwiększyć niezawodność działania. Aby rozwinąć reakcję i zwiększyć moc wybuchu, konieczne było utrzymanie uranu razem przez pierwsze milisekundy - zadanie to zostało rozwiązane dzięki mocnej lufie i ciśnieniu gazów prochowych.

Schemat armaty był prosty, ale miał istotne wady. Przede wszystkim jest to niska wydajność. Ze względu na cechy konstrukcyjne znaczna część głównego ładunku podczas wybuchu została wystrzelona w przestrzeń bez czasu na reakcję. Tak więc w reakcji „Baby” tylko ok. 1% uranu. Ponadto istniało ryzyko samoistnej detonacji gotowego do walki produktu.

Jednak na wczesnych etapach rozwoju sił jądrowych schemat armaty znalazł zastosowanie. W Stanach Zjednoczonych opanowali produkcję na małą skalę produktów Little Boy i zmontowali 35 takich urządzeń. Ponadto według tego schematu zbudowano wczesne pociski artyleryjskie uzbrojone w broń jądrową. Wraz z pojawieniem się nowych i bardziej zaawansowanych konstrukcji, schemat armaty przeszedł do historii.


Instalacja produktu Gadżet na wieży testowej, lipiec 1945. Zdjęcie Departamentu Energii USA

Efekt ściśnięcia


16 lipca 1945 roku – na kilka tygodni przed premierą „Dzieciaka” – na amerykańskim poligonie Alamogordo odbył się pierwszy na świecie test broni jądrowej. Eksperymentalny ładunek z kodem Gadżet został wykonany na bazie plutonu-239 i zbudowany zgodnie z tzw. implozyjny schemat. Ze względu na właściwości fizyczne plutonu nie pozwalało to na użycie schematu armaty z „strzałem” jednej części ładunku w drugą.

Schemat implozji proponował użycie sferycznego jądra ładunku plutonu o masie podkrytycznej. Wewnątrz znajdowała się wnęka z metalowym źródłem neutronów do zapoczątkowania reakcji jądrowej. Na zewnątrz rdzeń był pokryty kilkoma warstwami „zwykłego” materiału wybuchowego. Powstała kula została wyposażona w dużą liczbę oddzielnych bezpieczników, równomiernie rozmieszczonych na jej powierzchni. Wymagało to również urządzenia sterującego do jednoczesnego, z odchyleniem nie większym niż milisekundy, działania wszystkich bezpieczników.

Jednoczesna detonacja całego ładunku konwencjonalnego ściska rdzeń, a także powoduje, że centralny element emituje neutrony. Ciśnienie wybuchu zapewniło również, że materiał rozszczepialny utrzymywał się razem w pierwszych chwilach reakcji łańcuchowej.


Model głowicy implozyjnej używanej w przedmiotach Gadżet i Grubas. Widoczne są liczne przewody sterujące bezpiecznikami. Zdjęcie z Wikimedia Commons

Schemat implozji był bardziej skomplikowany niż armatni, ale wyróżniał się większą niezawodnością i wydajnością. Według tego schematu zbudowano bombę plutonową Fat Man („Fat Man”), zrzuconą w sierpniu 1945 r. Na miasto Nagasaki. Później w Stanach Zjednoczonych opracowano i wprowadzono nowe modele ładunków implozyjnych o różnej mocy iw różnych konstrukcjach.

Rozwój radzieckiej broni jądrowej rozpoczął się od planu implozji. Po uzyskaniu dostępu do informacji o rozwoju Ameryki nasi fizycy wzięli pod uwagę doświadczenia zagraniczne. Zrezygnowali z nieudanego planu armaty i natychmiast zaczęli opracowywać produkty dla planu implozji. Wczesne produkty krajowe, począwszy od pierwszego RDS-1, były budowane dokładnie według tego schematu.

Inne kraje już na etapie pierwszych eksperymentów z bronią jądrową stosowały właśnie schemat implozji. Udało im się również osiągnąć udane połączenie wydajności, niezawodności i złożoności produkcji.


Radziecka bomba atomowa RDS-4 schematu implozji, przyjęta do służby w 1954 roku. Pierwsza na świecie taktyczna broń jądrowa. Zdjęcie z Wikimedia Commons

Opcje rozwoju


Schemat implozji ze sferyczną kompresją miał wyraźną przewagę nad schematem pistoletu, ale nie był pozbawiony wad. Przede wszystkim wydajność pozostała niska - we wczesnych próbkach reagowało nie więcej niż 13-15 proc. materiał rozszczepialny. Dlatego poszukiwania nowych pomysłów i rozwiązań trwały, a część nowych schematów znalazła zastosowanie w praktyce. Główny nacisk położono na poprawę niezawodności i bezpieczeństwa urządzeń jądrowych.

Pod koniec lat czterdziestych pojawił się pomysł tzw. wzmacniacz jądrowy. Następnie podobne idee badano w innych krajach. Taki schemat jest zasadniczo podobny do implozyjnego, ale wykorzystuje niewielką ilość paliwa termojądrowego - deuteru, trytu lub ich związków - jako źródła neutronów. Substancja ta po sprasowaniu wytwarza neutrony o zwiększonej energii, które skuteczniej inicjują reakcję łańcuchową w ładunku głównym. Zwiększa to efektywność ładowania, a wraz z nim moc osiągalną. Dodatkowo, podłączając źródło neutronów bezpośrednio przed użyciem, można zwiększyć bezpieczeństwo pracy.

W latach pięćdziesiątych pojawił się schemat, znany jako Łabędź (pol. „Łabędź”). Otrzymał tę nazwę ze względu na przekrój zespołu głowicy, przypominający zakrzywione szyje łabędzi. Produkt takiego schematu ma ładunek kulisty o masie podkrytycznej, a ładunek inicjujący konwencjonalnego materiału wybuchowego, który odpowiada za kompresję, ma złożony zakrzywiony kształt. Główny ładunek jest umieszczony z przesunięciem do krawędzi takiego pocisku.


Przywódca Korei Północnej Kim Jong-un przeprowadza inspekcję makiety głowicy nuklearnej. Sądząc po kształcie, jest to produkt typu implozji. Zdjęcie wykonane przez CTAC

Podważanie „normalnego” ładunku odbywa się za pomocą jednego bezpiecznika, co upraszcza konstrukcję i eliminuje konieczność synchronizacji kilku podobnych urządzeń. W tym przypadku kształt ładunku inicjującego przewodzi i rozprowadza falę uderzeniową tak, że kompresja kuli plutonu zachodzi w optymalny sposób. Ładunek takiego obwodu może być wyposażony w dodatkowe bezpieczniki: po uruchomieniu zakłócają przejście fali uderzeniowej i zapobiegają uruchomieniu reakcji łańcuchowej.

Zasadniczo nowe technologie


W latach czterdziestych i pięćdziesiątych naukowcy z wiodących krajów opracowali kilka podstawowych schematów ładunków jądrowych, a także szereg ich wersji z różnymi modyfikacjami. Na bazie tych pomysłów powstała prawdziwa amunicja, którą później przyjęto na uzbrojenie. Jednak do połowy lat pięćdziesiątych proces fundamentalnego rozwoju i odnawiania broni jądrowej opartej na rozpadzie osiągnął maksymalne możliwe w tym czasie wyniki i zaczął zwalniać.

Jednocześnie rozpoczęto prace na pełną skalę nad stworzeniem nowej generacji superpotężnej broni - ładunków termojądrowych opartych na syntezie pierwiastków. Z biegiem czasu wszystkie wysiłki naukowców i inżynierów zostały skierowane właśnie w kierunku termojądrowym. „Konwencjonalne” ładunki jądrowe były teraz uważane tylko za pierwszy etap systemu termojądrowego.


Przekrój amunicji typu Swan. Na zielono zaznaczono rdzeń plutonowy, na czerwono jedyny bezpiecznik odpowiedzialny za wyzwolenie. Grafika Wikimedia Commons

Pomimo zmiany wspólnych celów rozwój „konwencjonalnych” urządzeń jądrowych trwał nadal, choć już bez wprowadzania zasadniczo nowych rozwiązań i pomysłów. Według znanych danych stosowano głównie różne warianty schematu implozji, odpowiadające wymaganiom konkretnych projektów. Takie podejście można nadal utrzymać – jest ono w pełni zgodne z postawionymi zadaniami i pozwala na tworzenie próbek o wymaganych cechach.

Na solidnym fundamencie


Broń jądrowa pojawiła się i trafiła do arsenałów wiodących krajów w połowie ubiegłego wieku. W tym samym czasie naukowcy i projektanci szukali i opracowywali różne opcje projektowania takiej broni, co pozwoliło zwiększyć wszystkie główne cechy. Proces ten został uwieńczony sukcesem – już w pierwszych latach prac znaleziono i wdrożono wszystkie główne schematy i układy.

Idee z połowy ubiegłego wieku w takiej czy innej formie są nadal używane. Jednocześnie rozwój technologii i materiałów, jaki dokonał się w ostatnich dziesięcioleciach, pozwala na pełniejsze wykorzystanie potencjału proponowanych od dawna schematów. W rezultacie dość stare rozwiązania nadal pomagają budować i ulepszać tarczę nuklearną oraz zapewniać strategiczne odstraszanie.
22 komentarz
informacja
Drogi Czytelniku, aby móc komentować publikację, musisz login.
  1. +5
    28 lipca 2023 05:51
    W artykule nie ma słowa o „zaciągnięciu się Sacharowa”. Na przykład tutaj - https://www.mk.ru/science/velikiye-atomshchiki/2020/08/17/sloyka-sakharova.html
    1. 0
      5 listopada 2023 10:32
      Cytat z novoku
      W artykule nie ma nic o tym powiedziane

      Że Houtermans jako pierwszy przeprowadził obliczenia w Niemczech w 1942 roku. Że zaproponował schemat implozji uranu, jako bardziej wydajny pod względem wydajności, i z inicjatorem polonowym.
      Nie wspomniano też o von Ardenne, który jako pierwszy wynalazł elektromagnetyczny separator izotopów. Ogólnie tekst jest bardzo słaby.
  2. + 11
    28 lipca 2023 06:32
    W latach pięćdziesiątych pojawił się schemat, znany jako Łabędź (pol. „Łabędź”). Otrzymał tę nazwę ze względu na przekrój zespołu głowicy, przypominający zakrzywione szyje łabędzi. Produkt takiego schematu ma ładunek kulisty o masie podkrytycznej, a ładunek inicjujący konwencjonalnego materiału wybuchowego, który odpowiada za kompresję, ma złożony zakrzywiony kształt. Główny ładunek jest umieszczony z przesunięciem do krawędzi takiego pocisku.

    W szarży Swan nie ma „zakrzywionych szyj łabędzi”.



    Łabędź to konwencjonalna nazwa eksperymentalnego ładunku jądrowego, który ma służyć jako wyzwalacz (zapalnik) do tworzonej bomby termojądrowej.
    Składał się z dwóch eliptycznych soczewek implozyjnych z dwoma (!) Zapalnikami. Podczas testów Inków 21 czerwca 1956 roku na atolu Enewetak ładunek wytworzył 15 kiloton i postanowiono go wykorzystać do opracowania taktycznej głowicy nuklearnej XW-45.
    Ilustracja w artykule pt Przekrój amunicji typu Swan nie ma nic wspólnego z rzeczywistością, taki projekt nigdy nie istniał. To są fantazje ze strony blogera niejakiego Darela Rexa Finleya, byłego programisty.
  3. +1
    28 lipca 2023 07:32
    Co ciekawe, czy to prawda, że ​​w dyplomatę podłożono bomby? Niezależnie od tego, czy jest to mit zimnej wojny, nie wymyśliliby tego od zera.
    1. +4
      28 lipca 2023 08:07
      czy to prawda, że ​​w dyplomatę podłożono bomby?

      Umieścili go w łusce o kalibrze 152 mm, pytanie jest inne - dlaczego?
      To już jest broń dla sabotażu lub terrorystów.
      1. +1
        28 lipca 2023 12:59
        Jak to dlaczego? Do dostarczenia do samego serca obozu wroga, wyłącznie na szczyt!
    2. +2
      28 lipca 2023 11:55
      Weź pod uwagę wagę. Wykonano urządzenia plecakowe.
      1. Komentarz został usunięty.
      2. +2
        28 lipca 2023 13:05
        Cytat z: ln_ln
        Weź pod uwagę wagę. Wykonano urządzenia plecakowe.

        RJ 6 - 25kg łącznie z kontenerem transportowym
      3. 0
        28 lipca 2023 18:42
        Wiem nawet, gdzie je zrobiono, ale to jest tajemnica wojskowa.
    3. BAI
      0
      28 lipca 2023 13:16
      Coś w rodzaju plecaka. Tak to nazwali - opłata plecakowa. Ale to było bardzo dawno temu
  4. Des
    +1
    28 lipca 2023 09:52
    Z pewnością ciekawy artykuł, w którym występuje niewstydliwy autor.
  5. +5
    28 lipca 2023 10:37
    Cyryl poruszył dość obszerny temat i nie mógł zażądać Czego należało się spodziewać.
  6. BAI
    0
    28 lipca 2023 13:14
    Ostatnich modeli (30 - 40 lat) autor przezornie nie cytował.
    Ja też nie będę błyszczał erudycją zdobytą na służbie
  7. +1
    28 lipca 2023 14:23
    Dziękuję, ciekawe!) O ile pamiętam, początkowo Stany Zjednoczone zaprojektowały aż trzy rodzaje bomb – oprócz implozji i armaty był jeszcze jeden projekt.
    1. 0
      29 lipca 2023 00:51
      Nie, początkowo tylko dwa schematy powstały równolegle, a właściwie niepowiązane ze sobą, w różnych miejscach. Jeden prosty - działo z ładunkiem uranowym zostało wykonane w oparciu o gwarantowane działanie, nawet go nie przetestowali, od razu użyli go w działaniach wojennych, co jest raczej rzadkim przypadkiem dla nowego złożonego rodzaju broni. Wadą było to, że potrzeba było 64 kg wysoko oczyszczonego uranu-235, co w tamtych czasach było kosztowną przyjemnością, do wzbogacenia uranu metodą dyfuzyjną potrzeba było ogromnej ilości energii elektrycznej, a ze względu na niską wydajność bomby uranowej dość dużo było potrzebne.
      W przypadku drugiej, bardziej złożonej bomby plutonowej z implozją, potrzebne było tylko 6 kg plutonu, chociaż bomby miały podobną wydajność. Problemem była produkcja plutonu w reaktorze. Schemat był znacznie bardziej skomplikowany i wymagał wstępnej weryfikacji.
      Co ciekawe, w ZSRR wykonali bombę średniego uranu według schematu implozyjnego.
      Tak się złożyło, że główne radzieckie źródło informacji o projekcie atomowym w Stanach Zjednoczonych, niemiecki komunista Klaus Fuchs, po raz pierwszy uczestniczył w Anglii w grupie, która opracowała metodę wzbogacania uranu przez dyfuzję gazową w brytyjskim projekcie atomowym „Komitet MAUD ”, a później w Stanach pracował w tej części projektu, która zajmowała się projektowaniem schematu obwodu implozji z ładunkiem plutonu.
      W Unii otrzymane od niego informacje zostały połączone za pomocą informacji o dyfuzji gazów stworzonych przez Brytyjczyków (w Stanach oprócz informacji o dyfuzji gazów przekazanych przez Brytyjczyków do wzbogacania uranu wykorzystano również separację elektromagnetyczną i dyfuzję termiczną ) oraz informacje o schemacie implozyjnym otrzymane od tego samego Fuchsa w ramach już amerykańskiego projektu.
  8. +1
    28 lipca 2023 16:17
    Warto zauważyć, że detonatory nie są konwencjonalne, jak nie zapewnią niezbędnej synchronizacji i zamiast „normalnej” eksplozji nastąpi tylko skok napięcia, ale zmostkowany.
    Aby je kontrolować, potrzebne były potężne „lampy” - iskierniki, których eksport nadal ma ograniczenia zarówno w USA, jak iw Federacji Rosyjskiej. Należy również zauważyć, że nie tylko
    na zewnątrz rdzeń pokryty był kilkoma warstwami „zwykłego” materiału wybuchowego
    , ale były segmenty z warstwami materiałów wybuchowych o różnych prędkościach detonacji, które tworzyły tzw. soczewka, w rzeczywistości, wyspecjalizowane ładunki kształtowe otaczające ładunek materiału rozszczepialnego.

    Inca 21 czerwca 1956 na atolu Enewetak ładunek wytwarzał 15 kiloton i postanowiono go wykorzystać do opracowania taktycznej głowicy nuklearnej XW-45

    Zastanawiam się, jaki rodzaj XW-45 i gdzie został użyty? Wygląda na to, że to W45 w Little John i innych reliktach.
    I żeby nie zostać źle zrozumianym, wyjaśnię: Łabędź stał się również detonatorem - został pomyślnie przetestowany tam 2 lipca przy ładunku 360 kt.
    Przez wiele lat służył jako ładunek inicjujący dla W38 na Atlasie i Tytanie, a także dla W47 na Polarisie.
    1. +2
      28 lipca 2023 19:12
      Zastanawiam się, jaki rodzaj XW-45 i gdzie został użyty?

      Początkowo program głowic bojowych Nike I, Little John, Terrier nosił nazwę W45. Początkowo do tego programu włączono także ASROC, jednak od sierpnia 1956 roku prace te zostały wydzielone do osobnego programu W44. W związku z tym głowice utworzone w ramach tych programów otrzymały oznaczenia XW-44 i XW-45. Realizatorem programu W44 było Sandia National Laboratories, W45 – Lawrence Livermore National Laboratory.
      Następny był wariant XW-45-X1. I dopiero od 1963 roku przeszli na oznaczenie W45 wskazujące na model.
  9. -2
    28 lipca 2023 18:03
    Co autor palił? (Pytanie retoryczne).
    Schemat armaty wykorzystywał kulę ze znakiem, podobną do platformy na osławionej „Gwiazdie Śmierci” z Gwiezdnych Wojen.
    Kulisty pocisk z tego samego wzbogaconego uranu wleciał we wnękę; wystrzelony z adaptacji opartej na karabinie maszynowym Browning, z lufą znudzoną do stanu gładkiego.
    I to wszystko.
    Co to do cholery są „dwie połówki lecące ku sobie? To bomba atomowa, a nie pierwsza randka nastolatków, którzy poznali się na Tinderze.
    Okropny artykuł, nawet nie do poziomu Wikipedii w poruszanych kwestiach.
  10. +1
    28 lipca 2023 20:32
    Na YouTube jest dość informacyjny kanał Zagrożenie promieniowaniem (jest to wersja o zmienionej nazwie)

    Ale osoba kilka lat temu ze zdrowiem tego. O ile mi wiadomo, wydaje się być żywy, ale nie do końca, ponieważ. kanał jest opuszczony. Ale wiele przydatnych informacji.
  11. 0
    29 lipca 2023 08:22
    Słaby artykuł. Nic nie mówi się o schemacie implozyjnym z „lewitującym” rdzeniem, schemacie podwójnego działa z dodatkową kompresją (pocisk W33), impulsowych inicjatorach neutronowych, które zastąpiły źródła neutronów Po-210. Lepiej sprawdź kanał Radiation Hazard. Tam ludzie szczegółowo rozmawiają o broni jądrowej i energii jądrowej
  12. 0
    29 lipca 2023 16:40
    Globalnie jest tylko jeden schemat – stworzenie masy krytycznej. Wszystkie schematy wyróżniają się efektywnością wykorzystania reakcji łańcuchowej. Ładunki termojądrowe są znacznie potężniejsze, ale schematy są bardziej złożone w dwóch krokach.
  13. 0
    6 października 2023 19:47
    Bardzo przydatny artykuł. Mam nadzieję, że autorka wkrótce napisze o tym, jak wzbogacać uran w domu.