Ранее обещанная порция информации к размышлению.
Мой перевод актуального тут фрагмента. Интересно мнение специалистов о изысканиях товарища из Швейцарии
*********************
одна глава из работы:
The physical principles of thermonuclear explosives, inertial confinement fusion, and the quest for fourth generation nuclear weapons
Физика термоядерного взрыва, инерционный термоядерный синтез
и изыскания в области ядерного оружия четвертого поколения
Андре Гспонер и Жан-Пьер ХурниНезависимый научно-исследовательский институт, Женева, Швейцария. 20 января 2009
4.2 Subcritical and microfission explosives (Figs. 4.1-4.2)
4.2 Субкритичная и микроядерная взрывчатка (рис. 4.1-4.2)Для решения вопроса о докритических взрывчатых веществах полезно вспомнить некоторые элементы нейтроники.
Если
k∞ - среднее число нейтронов, возникающих при делении (и возможно других процессах) на один нейтрон, поглощённый в бесконечной среде, а
l – количество вылетающих нейтронов, истекающих из конечной сборки, эффективный коэффициент размножения нейтронов или коэффициент критичности будет:
(4.1)
Среднее время жизни нейтрона в поглощающий среде, т.е. время между его образованием и поглощением, составит:
(4.2)
Где
λa - длина свободного пробега до поглощения и
v - средняя скорость нейтронов. Для каждого поколения нейтронов, т.е. для каждого интервала
число нейтронов
n в сборке увеличиваются на
n(k-1) . Таким образом, скорость изменения количества нейтронов:
(4.3)
Где коэффициент
называется "Росси
"
5. Если k и τа константы и
n(0) – начальное число нейтронов, решение этого уравнения будет показательным:
=n(0)\exp \left ( \frac{k-1}{\tau _a}t \right ))
(4.4)
5 При ядерном взрыве является функцией времени, поскольку все параметры, такие как геометрия, плотность и ядерные свойства делящегося материала изменяются в ходе протекания цепной реакции. В первом приближении )
, где 
- сечение деления, 
– количество нейтронов на деление и χN0 - концентрация делящихся ядер, где χ- коэффициент сжатия.Когда фактор (коэффициент) критичности
k=1, количество нейтронов остается постоянным, а сборка называется "критичной". Это нормальный режим работы ядерного реактора, в котором наблюдается стабильная цепная реакция. Когда
k>1, сборка "сверхкритичная", а число нейтронов со временем экспоненциально возрастает. Цепная реакция расходится и приводит к взрыву сборки. Наконец, когда
k<1, сборка является "докритической", а число нейтронов со временем экспоненциально уменьшается, что означает отсутствие самоподдерживающейся цепной реакции. Это, однако, не означает, что подкритическая сборка не может использоваться для производства ядерного взрыва. Фактически, поскольку при каждом поколении нейтронов, число нейтронов
n в сборке умножается на
k, то общее число нейтронов, созданных начальным числом нейтронов
n(0) будет:
=n(0)(1+k+k^2+k^3+...)=\frac{n(0)}{1-k})
(4.5)
Этот ряд сходится для
k<1. Таким образом, для подкритической сборки начальное число нейтронов умножается на множитель
G=1/(1-k). Приближая
k к 1, этот коэффициент усиления можно сделать очень большим. Следовательно, путем инжекции достаточного количества начальных нейтронов, в докритическую сборку можно вызвать большое количество делений и следовательно выделить значительное количество ядерной энергии. Этот метод называется
докритическим отжигом.
Чтобы понять потенциальное преимущество этого метода для создания делящегося взрывного устройства, важно напомнить, что в нормальной бомбе деления плутоний должен быть сверхкритичным настолько, чтобы растущая цепная реакция могла развиться полностью. Это означает что плутоний должен быть сжат больше, чем требуется для достижения критической массы. Например, капсула плутония в 1 грамм становится критической при плотности равной примерно в 100 раз большей, чем ее нормальная плотность. Однако для получения значительного энергетического выхода [174] необходимо дополнительное сжатие этой капсулы чтобы увеличить ее плотность еще больше с коэффициентом еще примерно 10.
А вот в докритическом устройстве достаточно достичь критичности, преимущество, достаточно важное для микроразмерных взрывных зарядов, содержащих менее нескольких граммов делящихся материалов. Однако по сравнению с обычным ядерным взрывным устройством (в котором несколько нейтронов в принципе достаточно для инициации цепного процесса) недостатком подкритического устройства является то, что ему нужен очень мощный нейтронный генератор для обеспечения относительно большого числа начальных нейтронов
n(0).
Рисунок 4.1 и 4.2, полученные из работы [178], являются результатом детального компьютерного моделирования подкритического сжигания небольших капсул плутония. Эти капсулы имеют вес 14, 70 и 7000 миллиграммов, и целью моделирования бала попытка определить (как функцию сжигания) количество необходимых исходных нейтронов для выгорания топлива на 100%, что соответствует выходу в 240, 1200 и 12 000 кг тнт энергии соответственно. Очевидно что урожайность от 0.24 до 12 тонн тротилового эквивалента имеет значительный военный интерес. Кроме того, при докритическом отжиге качество делящегося материала не имеет особого значения: плутоний реакторного качества для этого так же хорош, как и оружейный плутоний.
6 6 Все изотопы плутония делятся быстрыми нейтронами, например, см [69], а проблема преддетонации отсутствует при докритическом отжиге.
На рис 4.1 видно, что при плотности делящегося материала порядка 10
3-10
4 г/см
3, т.е. для коэффициента сжатия 100-1000, число инициирующих нейтронов, необходимого для полного выжигания составляет около 10
18. В этом диапазоне, работа сжатия для получения необходимой плотности плутония эквивалента энергетическому содержанию примерно 100 граммов химической взрывчатки, что видно на рисунке 4.2. Предполагая 10%-ную эффективность преобразования химической энергии в работу сжатия, это означает, что с 1 килограммом взрывчатки и менее чем граммом плутония возможно (теоретически
7) получить очень компактное взрывное устройство четвертого поколения с взрывным выходом в несколько тонн
8.
7 Чтобы превратить эту концепцию в реальность, надо решить две основные проблемы – это метод сжатия и начальный источник нейтронов.
8 Взрывной выход современных неядерных боеголовок и свободно падающих бомб ограничен весом от 0.1 до максимум в несколько тон TNT.
Еще раз посмотрим на рис. 4.1. Можно видеть, что при достаточном сжатии число исходных нейтронов резко уменьшается. Это связано с тем, что при
k →1, усиление увеличивается по мере приближения сборки к критичности, где в принципе одного нейтрона достаточно, чтобы начать цепную реакцию. Это приводит к идее микроядерных зарядов, в которых небольшая гранула делящегося материала приводится к критичности с помощью лазера или других средств [172,173,174]. Первоначально считалось, что подобный метод может быть использован как и для зажигания термоядерного синтеза [173] и таким образом проложить легкий путь к ИТС (ICF) а так же к почти чистому термояду в военных целях. Но вскоре выяснилось, что основной проблемой микроразмерных ядерных зарядов была проблема инициирования цепной реакции [179]. Действительно, при микросжатии время удержания сильно сжатой гранулы настолько короткое, что вероятность спонтанного деления, высвобождающего исходный нейтрон ничтожно мала. Более того, использование внешнего источника нейтронов практически невозможно, так как очень трудно направить и сфокусировать поток нейтронов на очень маленькую мишень в нужный момент времени.
В связи с этим было высказано предположение, что исходные нейтроны могут возникать в реакции синтеза
DT, зажигаемой в центре [175] (или в отражателе [177]) гранулы делящегося вещества. Однако, как и в случае капсул ICF, окруженных тяжелым тамперами, для повышения времени удержания сжатой мишени [129], выясняется что всегда лучше работать с мишенью чистого синтеза, чем с гибридной мишенью синтез-деление. Это происходит потому, что
DT компоненте и легче сжимать чем любой более тяжелый материал, и потому, что энергетическое содержание у
DT выше, чем у делящихся материалов. Поэтому гораздо более привлекательно разрабатывать микротероядерный синтез, а не микроядерное деление. Тем не менее, устройство на миркоядерном делении в принципе было бы чрезвычайно компактным источником рентгеновского излучения, которое могло бы быть потом использовано для подрыва более мощного устройства термоядерного синтеза.
По сравнению с концепцией микроядерного деления у концепции подкритического сжигания практические проблемы менее острые. Во-первых, как показано на рисунке 4.2, работа сжатия может потребовать в десятки-сотни раз меньше энергии чтобы достигнуть критичности. Во-вторых, поскольку подкритическое сжигание не нуждается в самоподдерживающейся цепной реакции, при подходящем внешнем источнике нейтронов в принципе может быть достигнута 100%-ная эффективность выгорание ядерного топлива. Наконец, в отличии от микроядерного деления, подкритическое сжигание юридически не ограничивается CTBT (ДВЗЯИ, договором о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний).
Таким образом критическое или субкритическое устройство для запуска деления может в принципе служить в качестве взрывного устройства с низким взрывным выходом или в качестве первой ступени для сжатия капсулы деления или синтеза с большим энергетическим выходом. Для этого необходимо найти средство для получения необходимой степени сжатия, а также подходящий источник нейтронов для запуска реакции деления, две проблемы, для которых до недавнего времени не было практического решения.
Проблема сжатия заключается в том, что максимальное давление и скорость детонации существующей химической взрывчатки не достаточно велика для сжатия делящегося материала до требуемых плотностей [50, c 9-10]. Используя очень сложную технологию имплозии, максимально возможный коэффициент сжатия составляет около 10.
9 Чтобы увеличить плотность урана или плутония еще в 10 раз, потребовалась бы "сверхвзрывчатка", по крайней мере в 45 раз более мощная, чем любое известное химическое взрывчатое вещество. Поэтому для сжатия в 100 раз от нормальной плотности металла, потребуется система лазеров, пучков частиц или использовать магнитное сжатие [304] (см. раздел 4.7). Оба метода находятся в развитии долгое время и доступные в настоящее время системы достаточно мощные чтобы поставить решающий эксперимент. Однако обычные лазеры и ускорители частиц, вероятно, будут слишком большими чтобы сделать на их основе компактное оружие. Однако использование суперлазера для сжатия делящегося материала или генерации пучков частиц может привести к созданию достаточно компактного устройства (см. раздел 4.8 ). В случае метода магнитного сжатия проблема заключалась бы в миниатюризации системы, преобразующей энергию взрывчатых веществ в энергию электрических токов и магнитных полей.
9 Наименьшее количество плутония, которое можно сделать критичным, составляет около 100 грамм.Для генерации числа нейтронов, необходимых для подкритического сжигания или инициирования цепной реакции, внешний источник нейтронов нецелесообразен. Однако фокусируя пучок заряженных частиц (электронов, протонов, антипротонов и т.д.) на капсуле, можно вызвать реакции деления различными высокоэнергетическими реакциями. Для этого необходим компактный ускоритель. В случае использования электронов, суперлазер мог бы ускорить их до энергий около 20 МэВ, что было бы достаточно для получения нейтронов электро- и фото- делением в мишени. Более того, сам луч суперлазера был достаточно интенсивным, он мог бы быть сфокусирован на самой грануле: тогда генерируемы на поверхности электроны высокой энергии вызывали бы электроделение и фотоделение в материале, окружающем фокальный объем [536,537,571,572]. Наконец, есть решение, при котором можно обойтись без суперлазера или ускорителя в МэВ, которое состоит в том, что бы направить небольшое количество антипротонов на гранулу для генерации необходимого количества исходных нейтронов [304]. Как видно из рисунка 4.1, для такой цели было бы достаточно микрограмма антипротонов.
В настоящий момент, возможно, самая амбициозная экспериментальная программа исследований микроядерного деления осуществляется в Phillips Laboratory (ранее Air Force Weapons Laboratory, Kirt-land Air Force Base, New Mexico), где антипротоны, полученные исследователями из университета штата Пенсельвания, будут использоваться для инициации подкритического сжигания гранулы, сжатой магнитным способом [304, 335].
Кроме того, в разных национальных лабораториях ведутся эксперименты по микроядерному делению на основе лазерного излучения. Но мало что публикуется по их результатам, поскольку всякая информация по IFC мишеням, где "делящийся материла [приводится] к критичности", является засекреченной [22, с 121].
*********************
