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

А хотите настоящее изобретение в области атомного оружия?
Истинный крест - САМ ПРИДУМАЛ ОТ НАЧАЛА ДО КОНЦА!!!
И даже по-началу испугался.
Не может же быть, что все так просто!
По-сути, всякий, кто знает как работает "атомное обжатие" должен был бы до него додуматься сам.
Но никакого намёка нигде я не видел и не слышал.
Берег для случая (мало ли?) но вчера в АМСТОР к нам прилетела X-22. Это вам, не в Нефтехимию за 8 км. Это уже 3 км от моего дома... и в само центре уже города! А вдруг завтра прям мне в окно влетит? И останется идея так никому и не подаренная!

Кстати, все утро мы с кумом (в Докучаевске, у них там тоже прилетает, уже с нашей стороны, но не такое как у меня тут глубоко в тылу) гадали, а почему я слышал четыре взрыва при этом первый - более глухой взрыв, за ним - более сильный? Но построив направление полета от Курска, место попадания и место где я слышал взрывы стало всё ясно: первые глухие "взрывы" - УДАРНАЯ ВОЛНА от сверхзвука!
Но не суть...

К формуле изобретения. Смотрите. Точечный детонатор, сколько бы их ни было - это всегда источник возмущения и неточности. Идеальная имплозия предполагает что у вас детонация происходит одновременно по всей поверхности шарового заряда. Так же работает и "Лебедь" у американцев. Те самые "летающие пластины" создают сходящуюся сферу (из двух логарифмических кривых) и бьют сразу по ВСЕЙ ПОВЕРХНОСТИ заряда, создавая идеальную сходящуюся имплозию.
Но можно сделать еще проще. И даже ЛЕГЧЕ... (вес!) Кстати и в смысле компактности решения - тоже можно посоревноваться с лучшими решениями имплозии. Фотодетонатор. По-сути то же что и атомное обжатие. Только "вторичкой" тут служит сфера химического ВВ, а первичкой - аргоновая бомба (кто не знает что это такое - гуглите). Мощная бомба-вспышка, превращающая энергию ударной волны в вспышку света (для чего используется сжатый инертный газ). Даннаая очень мощная вспышка в замкнутом непрозрачном объеме за наносекунды (так и есть!) РАВНОМЕРНО нагревает легкий (стеклопластик снаружи, покрытый графитом, желательно "волосатым", что бы коэффициент черноты не отличался от 1) хольраум, который нагреваясь равномерно как нить накала (в лампочке Эдисона) до более чем 3000 К так же со всех сторон равномерно нагреет и сферу ВВ. Выравнивание температуры будет не более долей миркросекунды.


Я не уверен что слой свинцовоолово-ртутного сплава (толщиной в 0.1 мм) стоит покрывать снаружи еще защитным слоем графита (типа "обмазки" для обеспечения равномерности обжатия или это излишне тут?). Я вообще не уверен что тут нужно именно свинец олово с ртутью использовать (а не что-то другое. Тут нужен хороший химик-взрывотехник). Но они выбраны как металлы, с минимальной энергией испарения. Идея в том, что металл должен испариться (и расчет делался на это) и ударить по ВВ. Равномерно, вызвав сходящуюся, фактически, идеальную имплозию.
Это и есть поверхностная фотодетонация.
Тут решения поверхностного фотодетонатора могут быть самыми разными. Главный принцип в том, чтобы используя мощную вспышку света равномерно испарить-взорвать всю поверхность сферы ВВ. Тогда само ВВ детонирует строго-равномерно внутрь себя.
Я знаю что любители "изобретать бомбу в подвале" не любят имплозию из-за того что у нее много детонаторов и кучи сложностей (с их одновременным подрывом). То ли дело "пушка"!
Но все это - оптическая иллюзия (вас обманули, братцы!)
Вот вам братцы-коротышки идея! Пользуйтесь (если сможете, если достали нужные материалы )! Детонатор нужен один единственный. В аргоновой бомбе. При этом там цилиндрическая имплозия. Заметили? Очень удобно ее для такой бомбы применять (что такое цилиндрическая имплозия см. например в букваре у Саблетта, ему видимо эта идея нравится).
Я прикинул, что дабы испарить слой фольги 0.1 мм покрывающий сферу радиусом 30 см, учитывая потери (см. схему потерь энергии внизу рисунка) энергии взрыва при преобразовании (ВВ -> свет -> стенка хольраума -> испарение слоя-детонатора), то есть, если испарённому слою достанется всего 0.008 часть начальной энергии ВВ в аргоновой бомбе (это очень "дубовый" подход), то в нее надо зарядить ~10 кг ВВ (приемлемо!), в то время как сам сферический заряд порядка 160 кг.
И это - решение влоб! Без улучшений.
Но даже так - конструкция - невероятно легкая. И обещает быть до омерзения точной.
Осталось понять, имеем ли мы тут пример дурного изобретательского подвига с моей стороны (дал бог дураку в голову блестящую идею)? Или я где-то что-то недополня (как всякий изобретатель не мыслящий прогресса без своего деятельного участия)?
Что скажет уважаемая редакция?

Я нашел свои "малюнки" по "лебеюд" с большим количеством деталей ранее нигде не выкладываемые.



Тут есть и сами сферы (пунктиром)
Смотрите. Тут самая "сжатая" кривая при k=1/8. И видно что не только кривая сильней сжимается (к окружности) но и сама сфера (одновременного прихода "ударной волны") становится больше по диаметру.
То есть чем меньше k, тем плотней вся схема (при k -> 0, вся схема стремится к сфере).
Но даже если k = 1/10, то кривая почти что облегает сферу и самое интересное, одноточечный "лебедь" будет даже компактней двухточечного.
Что значит k=1/10? Это значит что если скорость детонации ВВ по спирали, 5-8 км/с, сама метаемая этим ВВ "летящая пластина" должна лететь со скоростью 500-800 м/с (автоматная пуля).

Вот тут наш американский товариСЧЪ уже максимально приблизился к пониманию правильной формы...


Тут уже есть "сиськи" на экваторе. Видите? Они обязаны там быть.
Но есть еще над чем работать.
У него тут обе кривые касаются детонируемой сферы на экваторе. Но на самом деле там еще должен быть зазор, а касание сферы происходит на южном полюсе (если детонатор на северном).


Кстати.
Французские имплозивные эксперименты

Раннее двухточечное имплозивное устройство, разработанное Андре Кашеном, 1953 г.


Испытание на имплозию в Мурмелоне - 1951 г., Медар, Кашен, Гертс, Фишу и Провост


Пиротехническое устройство для цилиндрического имплозивного эксперимента (около 1990 г.)

Подпись к рисунку 1 : Центробежные детонационные волновые системы. Получение центростремительных детонационных волн для наилучшего концентрирования и уплотнения материала было главной целью DAM. Внизу: планарная система, разработанная Качином, и отпечатки, оставленные на соответствующих свинцовых пластинах. Воспроизведение результатов, полученных в 1953 г. Быстродействующие периферийные ВВ в виде двойной или простой логарифмической спирали: мелинит под оловом, скорость детонации D = 6600 м/с Медленное центральное ВВ: пылевидный пентрит или дробленый тротил, скорость детонации < 4000 м/с . Источник : выпуск журнала Chocs за сентябрь 1992 г.: научно-техническое обозрение de la Direction des Applications Militaires, специальный выпуск по детонике (публикация CEA-DAM).

Подпись к рисунку 3 : Пиротехническое устройство для цилиндрического имплозивного эксперимента; Легкий носитель (красный в центре) окружен металлическим цилиндром (...). Взрывное устройство (...) инициируется 4 генераторами цилиндрических волн, инициируемыми одновременно (...). Источник : выпуск Chocs за июнь 1991 г.: научно-техническое обозрение de la Direction des Applications Militaires, Нестабильность интерфейса в цилиндрическом имплозии (публикация CEA-DAM).

Рисунки 1 и 2 представляют собой раннюю попытку построить экспериментальное устройство имплозии, разработанное Луи Медаром, Робертом Сарториусом и Андре Кашеном, инженерами Service des Poudres в начале 50-х годов (первое испытание во Франции было в 1960 году). Альтернативное устройство, по-видимому, также было разработано Управлением исследований и фабрикаций вооружений, еще одним департаментом французских вооруженных сил. Об этом немного, но интересен контекст: после 1945 года несколько немецких ученых были завербованы французскими военными для работы над различными военными приложениями в лаборатории в Сен-Луи (недалеко от франко-германской границы). Один из них, пр. Руди Шалль, по-видимому, оказал большое влияние на ранние исследования детоники и на разработчика вышеупомянутого устройства.

 

Интересные находки в сети.

Книга про создание ядерного оружия в ЮАР
Рисунок 4.1 Сравнение относительных размеров двух ядерных испытательных устройств, разработанных Южной Африкой в ​​1970-х годах. Источник: Андре Байс

К сожалению схема самой "пушки" отсутствует...
А интересно было бы посмотреть...

За неимением, предлагаю мои художества на тему встречной пушки (сборка трех секций, синим) с кадмиевым затвором (черным):




Немного о линейной имплозии.

Ядерная артиллерия W48

США разработали несколько ядерных артиллерийских снарядов калибра 155 мм. Единственной, которая должна была быть поставлен на вооружение, была ядерная боеголовка W48, разработанная UCRL, упакованная в корпус M-45 AFAP (атомный артиллерийский снаряд). Ядерная боеголовка W-48 имела длину 86 см (34 дюйма) и весила 53,5–58 кг (118–128 фунтов). Ее мощность составляла порядка 70–100 тонн (она была испытана в тесте Hardtack II Tamalpais с выходом 72 тонны, прогнозируемый урожай 100-300 тонн).
Публично известное испытательное устройство наименьшего диаметра в США было устройством Livermore Swift, испытаннов в тесте Redwing Yuma 28 мая 1956 года. Оно имело диаметр 5 дюймов (12,7 см), длину 62,2 см (24,5 дюйма) и весил 43,5 кг (96 lb). Испытание имело мощность 190 тонн, но предназначалось для форсированния синтезом (и, таким образом, вероятно, имело бы мощность в диапазоне килотонн), но его собственная мощность была недостаточной, чтобы зажечь реакцию синтеза, и выход не удалось увеличить с помощю такого режима. Этот тест, возможно, был предшественником конструкции W48.

W48 имел длину 846 мм и вес 58 кг, его можно было установить в 155-мм AFAP M45 (артиллерийский атомный снаряд) и использовать в стандартной 155-мм гаубице. Боеголовка деления была линейной имплозивной, состоящей из длинного цилиндра докритической массы, которая сжимается взрывчатым веществом и превращается в сверхкритическую массу. W-48 дал всего 72 тонны тротилового эквивалента. W-48 был запущен в производство в 1963 году, всего было построено 135 экземпляров Mod 0. Вариант Mod 0 был снят с производства в 1968 году. Он был снят с производства. Его заменил Mod 1, который производился с 1965 по 1969 год, всего было построено 925 изделий этого типа.

W48 — атомный артиллерийский снаряд для 155-мм гаубиц M114 или M198. Выпускался с 1963 года, снят с вооружения в 1992 году. Длина W48 составляла 85 см. Было две модификации — Mod 0 и Mod 1, массой 53,5 и 58 кг соответственно. Мощность снаряда составляла 0,072 кт.

В W48 использовалась линейная схема имплозии с малым диаметром ядерного устройства. В «обычных» имплозивных ядерных взрывных устройствах используются небольшие количества делящегося материала, масса которых меньше критической массы при нормальных условиях. При использовании крупных и точных взрывных устройств делящийся материал сильно сжимается, в результате чего достигается критическая плотность.

При линейном имплозии масса используемого ядерного материала должна превышать критическую массу. Изначально ядерный материал, известный как «пит», имеет форму, отличную от сферической, в которой плотность меньше критической. При срабатывании устройства небольшим количеством взрывчатого вещества форма делящегося вещества изменяется так, что оно достигает сверхкритической массы и начинается ядерная реакция, в результате которой происходит ядерный взрыв малой мощности.

Известны три способа сжатия и изменения формы ядерного материала: схлопывание пустот внутри пита; использование сплава плутония с галлием, который стабилизируется в дельта-фазе малой плотности, а под давлением переходит в более плотную альфа-фазу; воздействие взрывной волны, которая под действием взрыва сжимается в шар (изменение формы).

Чистая критическая масса плутония при нормальной плотности и без использования отражателя нейтронов составляет примерно 10 кг. Для достижения наибольшей мощности при линейном имплозии требуется большее количество плутония — около 13 килограммов плутония альфа-фазы плотностью 19,8 г/см³. Это 657 см³, то есть сфера радиусом 5,4 см (диаметр 10,8 см).

Устройство линейной имплозии может использовать тампер или отражатель, но суммарный диаметр с делящемся материалом плюс тампер/отражатель увеличивается по сравнению с объемом, необходимым для изделия без отражателя. Для размещения ядерной боевой части, артиллерийских снарядов среднего калибра (155 и 152 мм, по словам конструктора ядерного оружия Теда Тейлора, может быть создан ядерный снаряд диаметром 105 мм, и при этом может потребоваться «голый» пит.

Ядерное оружие, выполненное по схеме линейной имплозии, значительно менее эффективно из-за более низкого давления в процессе инициирования и требует в два-три раза больше ядерного материала, чем в случае сферической имплозии. Он также значительно тяжелее и намного меньше по размеру, чем обычное имплозивное оружие. Ядерная боевая часть W54, использовавшаяся для безоткатного снаряда Davy Crockett, имела диаметр около 280 мм и массу 23 кг. Диаметр W48 составляет 152 мм, при этом он весит в два раза больше и требует примерно в два раза больше плутония.

В отношении систем вооружения, разработанных Ливермором, выводимых из эксплуатации, Лаборатория несла постоянную активную ответственность за обеспечение безопасного и своевременного демонтажа и утилизации избыточных материалов. В 1996 году Ливермор завершил демонтаж артиллерийских снарядов W48, SUBROC W55 и боеголовок W70 Lance.

 

Интересно тут упоминание о Теде Тейлоре (опять он) и минимальном диаметре для подобного ядерного устройства в 10,5 см (и вообще любого ядерного устройства).
Выделенное жирным курсивом - ПОЛУправда. Как водится. Все это - первичная правда. Но не вся.
Есть еще пара приёмов, которые можно комбинировать с линейной имплозией и улучшать эффект. В частности использование поглотителей (бор-10, кадмий). Поглотители можно "выдергивать" (самое простое решение)...

...или его сжимать (уплотнять) уже в процесс разагрева пита. Это - автокатализ (идея из Лос-Аламосского Букваря).



Кроме того остается вопрос о бериллии. Если уплотнение бериллия (или его соединений, оксида бериллия) дает повышение эффекта отражателя (повышение надкритичности), то бериллиевый слой-прослойка, "зажатый" межджу плутониевым ядром и внешнй оболочкой из тяжелого материала (вольфрам, напрмер) при первичном нагреве должен подвергнуться "сахаризации". Так же как "лидочка" в "слойке" Сахарова. Здесь тоже некоторое время (пока излучение выбирается на поверхность сборки) материал с малым Z будет сильно сжат между материалом с большим Z. И это (повышение отражательной способности отражателя) даст эффект автокатализа, то есть по мере выделения энергии критичность сборки может не уменьшаться, а увеличиваться на некоторое время, увеличивая выход.

Чем интересны все эти компактные но маломощные устройства? Для схем деление-деление это лучшая форма первички. Даже 10-50 тонн выхода достаточно чтобы как следует обжать вторичку из делящегося материала. Такие устройства деление-деление (хотя они и будут очень компактны) но не столь требовательны к компактности как стандартные артиллерийские снаряды и там в узле линейной имплозии можно использовать отражатель (а значит можно использовать не 10 кг а 5-6 кг плутония). Перерасход плутония (низкий выход от деления) в первичном узле деления с лихвой будет компенсирован качественным выгоранием плутония или урана (композитное ядро?) во вторичном узле (или узлах при обратной бифилярности). При этом, есть подозрение, что высокой степени выгорания во вторичном узле/узлах можно добиться без бустирования тех DT (с бустированием - это очевидное решение), просто за счет "атомного обжатия" и высокой степени надкритичности. То есть получить 100-300 кт с выгоранием 50-70%. Все - делением.
Здесь ни линейная имплозия ни тем более делящаяся вторичка не нуждаются во внешнем инициаторе нейтронами (напротив, есть проблема предетонации вторички, которую надо как-то хитро решать). Это же обстоятельство снижает требование к качеству делящихся материалов, используйте хоть реакторый плутоний (единственное препятствие высокая активность и температурные режимы).
Более того.
Испытание столь маломощного первичного узла (до 100 т тнт) в ходе национальной секретной атомной программы можно проводить в закрытых подземных камерах специально под это оборудованных (маскируя под взрывы в гранитном карьере, специально оборудованные камеры позволяют скрывать взрывы до 1 кт) скрытно и при этом собирать там испаренный делящийся материал для использования его повторно (завеса, глушащая и размазывающая взрыв за одно абсорбирует испарившийся материал бомбы и будучи откачанная из полости пойдет на переработку и извлечение ценного материала).

Комментарий Владимира Зайцева:

Наименее освещен в открытой печати вопрос преобразования рентгеновского излучения первичного заряда в материальное давление для сжатия вторичного модуля. Из рассмотрения конструкции первой американской водородной бомбы можно сделать вывод, что по крайне мере авторами проекта механизм сжатия мыслился как тепловое расширение полиэтиленового наполнителя нагретого да высокой температуры. На эту мысль наталкивает большая толщина стенок корпуса бомбы. По информации из рассекреченных источников можно сделать вывод, что в первых советских термоядерных изделиях вторичный модуль был окружен слоем бериллия (бериллиевый паркет) толщиной около 170 мм. В документах этот слой именуется «обмазка». С помощью обмазки излучение преобразовывалось в давление. Судя по некоторым рассекреченным данным, обмазка занимала все пространство (с теневой стороны) между массивным корпусом и собственно вторичным узлом. Из этого можно сделать вывод, что и в первых советских изделиях также как и в первой американской основным источником давления считалось тепловое расширение обмазки. Использование для сжатия реактивной силы при испарении обмазки видимо было предложено Ю. Трутневым. В связи с этим массивный корпус стал уже не нужен, а между корпусом и обмазкой стали оставлять пустое пространство - радиационный канал. В результате обжатие стало более симметричным, уменьшились габариты и масса. В различных источниках обычно пишут, что абляционное давление возникает от действия рентгеновского излучения непосредственно на урановую или свинцовую оболочку вторичного модуля. Тут есть одна тонкость. При попадании рентгеновского излучения на поверхность металла с большим атомным номером испаряется только слой, толщиной примерно равный глубине проникновения излучения в холодный металл. Если поверхность модуля покрыть материалом с малым атомным номером, то в нем, за счет ионизации испарившегося слоя образуется тепловая волна и испаряется слой большей толщины, но легкий материал имеет меньшую массу. В каком случае абляционное давление будет больше на вскидку не сказать, но скорей всего на вторичном модуле есть слой легкого вещества типа полиэтилена (обмазка) для более эффективного преобразования излучения в давление.

 

Что значит глубина проникновения излучения в холодный металл? Какая глубина в зависимости от толщины тампера?

На видеозаписях операции «Dominic» в парашютном отсеке Mk36 я обнаружил какой-то непонятный элемент в центре. В одной видеозаписи на этом элементе кажется есть знак радиационная опасность, а также в одном варианте изделия в центре был установлен какой-то вентилятор или что-то похожее. Что это такое? И возможен ли вариант, что некоторые изделия (термоядерные заряды) имели длину больше чем отсек для термоядерного заряда в Mk36 и соответственно отсек с первичным энерговыделяющим узлом и блоками автоматики разместили в парашютном отсеке, а сама парашютная система вместо одного парашюта состоит из нескольких?

Ripple позволил разработать термоядерное оружие с невероятно высокой мощностью и высокой эффективностью выгорания с чрезвычайно малыми первичными ступенями деления. Хотя он был испытан несколько раз, к счастью, Договор о частичном запрещении ядерных испытаний убил его, прежде чем он смог попасть в действующую конструкцию.

 

Ripple не был убит, а был возрожден в конце 60-х годов.