Sekcja 4.3 Hybrydowe bronie rozszczepieniowo-fuzyjne

Nuclear Weapons Frequently Asked Questions

Wersja 2.20: 13 marca 2019

Ten artykuł jest dziełem pochodnym (tłumaczeniem na język polski wzbogaconym o szereg dodatkowych materiałów z polskich uczelni technicznych) znakomitego Nuclear Weapons FAQ autorstwa Carey Sublette. Oto pełne zastrzeżenie licencyjne oryginalnej wersji angielskiej:

COPYRIGHT CAREY SUBLETTE

This material may be excerpted, quoted, or distributed freely provided that attribution to the author (Carey Sublette) and document name (Nuclear Weapons Frequently Asked Questions or NWFAQ) is clearly preserved. I would prefer that the user also include the URL of the source.

Only authorized host sites may make this document publicly available on the Internet through the World Wide Web, anonymous FTP, or other means.

Unauthorized host sites are expressly forbidden. This restriction is placed to allow me to maintain version control.

The only authorized host site for the NWFAQ in English is the Nuclear Weapons Archive:
http://nuclearweaponsarchive.org

4.3 Hybrydowe bronie rozszczepieniowo-fuzyjne

Najwcześniejsze amerykańskie koncepcje bomb fuzyjnych zakładały, że ciepło z rozszczepieniowego triggera zapali samopodtrzymującą się reakcję syntezy w masie ciekłego deuteru umieszczonej obok niego. Pod koniec lat czterdziestych i na początku pięćdziesiątych dokładniejsze obliczenia wykazały jednak, że taki pomysł jest niewykonalny. Jedyną reakcją fuzyjną, którą da się uruchomić po prostu przez ogrzewanie paliwa bombą rozszczepieniową, jest reakcja D-T:

D + T -> He-4 (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

Naiwne wykorzystanie tej reakcji, polegające na próbie uzyskania dużej eksplozji przez zapalenie dużej masy mieszaniny D-T za pomocą ładunku rozszczepieniowego, jest ekonomicznie niepraktyczne. Autor twierdzi, że pluton jest około dziesięć razy tańszy w przeliczeniu na jednostkę wyzwolonej energii niż paliwo D-T, a HEU jeszcze 3-5 razy tańszy od plutonu. Do tego tryt stale zanika wskutek rozpadu promieniotwórczego w tempie 5,5% rocznie i musi być uzupełniany.

Mimo to opracowano kilka klas broni wykorzystujących reakcję D-T w pożyteczny sposób. Wszystkie one opierają się na bardzo energetycznych neutronach produkowanych w reakcji fuzyjnej. Część tych projektów wykorzystuje je do zwiększania uzysku rozszczepienia, a część traktuje sam strumień neutronów jako efekt bojowy.

Autor zaznacza, że koncepcje fusion boosting i Alarm Clock/Layer Cake zostały rozwinięte w USA i ZSRR na początku lat pięćdziesiątych, natomiast bomby neutronowe pojawiły się dopiero pod koniec lat sześćdziesiątych lub na początku siedemdziesiątych.

4.3.1 Rozszczepieniowe bomby ze wzmocnieniem fuzyjnym

Fusion boosting to technika zwiększania sprawności małej, lekkiej bomby rozszczepieniowej przez umieszczenie niewielkiej ilości mieszaniny deuteru i trytu wewnątrz rdzenia rozszczepieniowego. Typowo chodzi o mieszaninę zawierającą 2-3 g trytu. Gdy reakcja rozszczepieniowa się rozwija, temperatura rdzenia rośnie i w pewnym momencie synteza zaczyna zachodzić z istotną intensywnością. Wówczas neutrony fuzyjne są wstrzykiwane do rdzenia, przez co populacja neutronów rośnie szybciej, niż wynikałoby to z samego rozszczepienia, czyli wzrasta efektywna wartość alpha.

Neutrony fuzyjne są ekstremalnie energetyczne, około siedem razy bardziej energetyczne niż przeciętny neutron z rozszczepienia, i dlatego wzmacniają alpha nieproporcjonalnie mocno względem swojej liczby. Autor wskazuje trzy przyczyny:

  1. ich duża prędkość daje efekt przeciwny do absorpcji czasowej, czyli swoiste „powiększenie czasowe”,
  2. przy uderzeniu w jądro rozszczepialne uwalniają znacznie więcej neutronów wtórnych,
  3. przekrój czynny na rozszczepienie jest przy tych energiach większy, zarówno bezwzględnie, jak i względem rozpraszania oraz wychwytu.

Uwzględniając te efekty, maksymalna alpha dla plutonu przy gęstości 19,8 ma być około osiem razy większa dla neutronów fuzyjnych niż dla przeciętnego neutronu rozszczepieniowego.

Potencjał wzmocnienia można ocenić na prostym przykładzie. 1,5 g trytu, czyli około pół mola atomowego, daje dość neutronów, by bezpośrednio rozszczepić około 120 g plutonu, a po uwzględnieniu neutronów wtórnych około 660 g. Odpowiada to energii 11,6 kt i samo w sobie dawałoby około 14,7% całkowitej sprawności bomby zawierającej 4,5 kg plutonu. Sama energia syntezy wyniosłaby tylko 0,20 kt, czyli mniej niż 2% całkowitego uzysku. Oznacza to, że wartość boostingu nie wynika z bezpośredniego wkładu energii fuzyjnej, tylko z gwałtownego zwiększenia liczby efektywnych neutronów.

Ponieważ szybkość reakcji fuzyjnej rośnie z kwadratem gęstości paliwa przy danej temperaturze, ważne jest możliwie mocne zagęszczenie paliwa fuzyjnego. Im większa gęstość, tym niższa temperatura wystarcza do uruchomienia boostingu, a więc tym mniej początkowego rozszczepienia potrzeba, by doprowadzić układ do działania.

Duże gęstości paliwa można osiągnąć przez:

  1. użycie paliwa o wysokiej gęstości początkowej, jak silnie sprężony gaz, ciekły wodór lub wodorek litu,
  2. skuteczne sprężenie podczas implozji,
  3. najpewniej kombinację obu tych metod.

Choć w pierwszym amerykańskim teście boostingu, czyli Greenhouse Item, użyto ciekłego D-T, autor uznaje to za rozwiązanie niepraktyczne ze względu na trudność utrzymania temperatur kriogenicznych. Już 3 g trytu stanowią źródło ciepła rzędu 1 wata, co samo w sobie komplikuje przechowywanie takiego układu.

Wiadomo natomiast, że amerykańskie bronie jądrowe używają trytu w postaci gazu pod wysokim ciśnieniem, przechowywanego w zewnętrznym zbiorniku poza rdzeniem, prawdopodobnie jako mieszaniny deuterowo-trytowej. Gaz ten jest wpuszczany do rdzenia krótko przed detonacją w ramach sekwencji uzbrajania. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość użycia sealed pit, czyli szczelnie zamkniętego plutonowego rdzenia, który nie wymaga stałej obsługi. Zbiornik trytowy można zdemontować, oczyścić z He-3 i ponownie napełnić bez ruszania samego rdzenia.

Autor rozważa też alternatywę w postaci magazynowania wodoru w proszku wodorku metalu, na przykład wodorku uranu UH3, z którego gaz można by szybko uwolnić przez podgrzanie.

Problem z wodorem polega na tym, że bardzo szybko reaguje z uranem i plutonem, tworząc wodorki. To niepożądane, bo miesza paliwo fuzyjne z materiałem o wysokim Z, co osłabia działanie boostingu. Można temu przeciwdziałać, wykładając wnękę cienką, nieprzepuszczalną warstwą, na przykład miedzią, albo wstrzykując gaz tuż przed detonacją, by kontakt trwał tylko sekundy.

Wodorki litu osiągają gęstość atomową wodoru o około 50% większą niż stan ciekły, a jako stabilne ciało stałe są łatwe w obchodzeniu się z nimi. Ich wadą jest to, że muszą być na stałe wbudowane w rdzeń, a więc uzupełnianie trytu wymagałoby rozbierania całego rdzenia.

Najbardziej intuicyjne miejsce dla gazu boostującego to środkowa wnęka w samym centrum masy rozszczepialnej. Taka lokalizacja maksymalizowałaby prawdopodobieństwo wykorzystania neutronów i dawałaby najwyższą temperaturę. Autor wskazuje jednak, że w konstrukcji levitated pit oznaczałoby to wydrążenie unoszonej sfery, co jest niekorzystne, bo gdy fala uderzeniowa dojdzie do pustki, natychmiast wygeneruje falę rozrzedzenia i pogorszy kompresję.

Alternatywą jest umieszczenie gazu pomiędzy zewnętrzną powłoką a wewnętrznym levitated pit. W tym układzie zapadająca się cienka powłoka może wielokrotnie odbijać fale i ściskać gaz do cienkiej warstwy o bardzo dużej gęstości. Autor uważa, że istnieją przesłanki, iż amerykańskie primaries rzeczywiście umieszczają gaz wzmacniający właśnie w przestrzeni wewnątrz zewnętrznej powłoki, a nie wewnątrz rdzenia centralnego.

Porównuje te warunki do eksperymentu z Lawrence Livermore, w którym ciekły wodór ściskano do stanu metalicznego zderzeniem płyty rozpędzonej do 7 km/s. Osiągnięto tam ciśnienie 1,4 megabara i gęstości dziewięciokrotnie większe od gęstości ciekłego wodoru. W typowej implozji prędkość jest niższa, około 3 km/s, a gęstość początkowa gazu mniejsza, ale autor sądzi, że ciśnienia mogą być porównywalne, więc osiągnięcie podobnych gęstości wodoru jest prawdopodobne.

Autor rozważa też wariant bez levitated pit, w którym zapada się pusta kula wypełniona gazem boostującym, ale nie widzi w nim większych zalet.

Boosting można również zastosować w broni działowej. Autor wspomina, że rozważali to Południowoafrykańczycy i że mogłoby to podnieść moc ich bomb z około 20 kt do około 100 kt. Ponieważ w działowej konstrukcji nie ma implozji, należałoby użyć jakiegoś układu tłokowego napędzanego energią ruchu pocisku.

Paliwo fuzyjne bardzo wcześnie staje się całkowicie zjonizowane. Dalsze ogrzewanie zachodzi wtedy dwustopniowo:

  1. fotony termiczne ogrzewają elektrony w plazmie,
  2. elektrony przekazują energię jonom deuteru i trytu przez zderzenia.

Tak długo, jak ten mechanizm dominuje, paliwo fuzyjne pozostaje w równowadze cieplnej z rdzeniem. Gdy temperatura rośnie, paliwo staje się coraz bardziej przezroczyste dla promieniowania termicznego i sprzężenie słabnie. Autor rozważa pytanie, czy po uruchomieniu syntezy samoogrzewanie przez jony helu-4 mogłoby spowodować „ucieczkę” temperatury gazu fuzyjnego ponad temperaturę rdzenia. Nie rozstrzyga tego jednoznacznie, ale skłania się ku temu, że plazma raczej pozostaje bliska równowadze cieplnej z rdzeniem.

W praktyce boosting zaczyna się wtedy, gdy jony osiągają temperaturę wystarczającą do produkcji neutronów z szybkością znaczącą względem samego rozszczepienia. W zakresie temperatur 20-30 milionów K szybkość reakcji D-T rośnie bardzo stromo, więc efekt wzmocnienia szybko się nasila. Co ważne, taka temperatura jest osiągana przy bardzo małej sprawności wstępnej, zanim rozszczepi się nawet 1% materiału. To oznacza, że bomby implozyjne można zaprojektować tak, aby nawet przy bardzo wczesnym pojawieniu się neutronów i tak osiągały zakres mocy, przy którym boosting zdąży się uruchomić. Zdaniem autora jest to ogromna zaleta, bo praktycznie eliminuje problem predetonacji. Wprost stwierdza, że wszystkie współczesne bronie w amerykańskim arsenale są prawdopodobnie konstrukcjami boostowanymi.

4.3.2 Bomby neutronowe, czyli „enhanced radiation weapons”

Celem projektowym taktycznych bomb neutronowych rozwijanych w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych było stworzenie niewielkiego, kompaktowego ładunku o niskiej mocy, ale produkującego śmiercionośny impuls neutronów. Neutrony te mogą stosunkowo łatwo przenikać przez stalowe pancerze, przez co taka broń jest szczególnie skuteczna przeciw czołgom i innym pojazdom opancerzonym, które są znacznie bardziej odporne na klasyczne efekty wybuchu jądrowego. Pożądano dawek rzędu kilku tysięcy rem, tak by załogi pojazdów zostały wyłączone z działania w ciągu godzin lub kilku dni, przy czym śmierć byłaby w tej skali ekspozycji praktycznie nieunikniona.

Jednocześnie trzeba było ograniczyć uboczne skutki fali uderzeniowej i promieniowania cieplnego poza promieniem zabójczego napromienienia neutronowego. To oznaczało, że należało minimalizować energię uwalnianą w postaci innej niż strumień neutronów.

Sposób osiągnięcia tego efektu polega na zapaleniu porcji paliwa D-T przy pomocy niskomocowej eksplozji rozszczepieniowej. Trzeba jednak:

  1. unikać pochłonięcia tych neutronów wewnątrz bomby,
  2. przede wszystkim zapobiec temu, by neutrony uruchomiły zwykły efekt boostingu w samym triggerze,
  3. zmieścić cały układ do pocisku artyleryjskiego o średnicy 8 cali.

Jako przykład autor podaje amerykańską głowicę W-79-0 dla pocisku artyleryjskiego XM-753 kalibru 8 cali. Sam komponent W-79-0 miał długość około 37 cm. Maksymalna moc wynosiła około 1 kt, z czego 0,75 kt pochodziło z syntezy, a 0,25 kt z rozszczepienia.

Autor podkreśla, że bomba neutronowa nie może być po prostu wariantem zwykłej bomby boostowanej, w której paliwo fuzyjne znajduje się w centrum rdzenia rozszczepieniowego. Podaje prosty argument: jeśli stosunek energii fuzyjnej do rozszczepieniowej w W-79-0 wynosił 3:1, to dla każdego rozszczepienia musiało zajść około 31 reakcji fuzyjnych. To oznacza, że ponad 97% neutronów fuzyjnych musiało uciec bez powodowania rozszczepienia. W krytycznym rdzeniu jest to niemożliwe, więc reakcja fuzyjna musi zachodzić poza masą rozszczepialną.

Obliczenia pokazują też, że przy temperaturach osiąganych w 250-tonowym wybuchu rozszczepieniowym i przy normalnych gęstościach nawet paliwo D-T nie spala się dość szybko, by zrobić to przed dezintegracją rozszerzającej się masy rozszczepialnej. Trzeba je ścisnąć co najmniej około 10 razy. Do tego konieczne jest bardzo symetryczne nagrzewanie, bo ciśnienie promieniowania i siły ablacyjne są tak duże, że niewielka asymetria mogłaby rozproszyć paliwo, zanim zajdzie znacząca synteza.

Z tych powodów autor wyciąga wniosek, że bomby neutronowe są w istocie zminiaturyzowanymi wariantami stopniowanych bomb fuzyjnych z implozją radiacyjną. Materiał rozszczepialny jest oddzielony od paliwa fuzyjnego, a to ostatnie jest ściskane i ogrzewane przez promieniowanie termiczne płynące z rdzenia rozszczepieniowego.

Ponieważ masa paliwa fuzyjnego jest mała, a temperatura zapłonu stosunkowo niska, wewnętrzna rozszczepieniowa spark plug wewnątrz kapsuły fuzyjnej nie jest potrzebna. Zapłon najprawdopodobniej następuje, gdy promieniowanie cieplne przenika przez pusher albo tamper kapsuły paliwowej. Autor dopuszcza też możliwość, że lokalne silne nagrzanie w chwili zbieżności fali uderzeniowej w centrum kapsuły może mieć istotny udział w zapłonie.

W przypadku W-79 rdzeń rozszczepieniowy był plutonowy i składany metodą implozji liniowej. Wiadomo też, że w konstrukcji występowały stopy wolframu i uranu. Wolfram autor interpretuje jako materiał dla obudowy promienistej oraz pushera i tampra kapsuły fuzyjnej. Uran mógł zapewniać bezwładną masę i częściowo pełnić rolę reflektora neutronowego.

W źródle podano poglądowy szkic W-79:

0CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
9CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCRRRRRRRRC
8CCEEEEEEEEEEEEEEEEE   RRRR    RRRRC
7CCEEEEEEEEEEEEEEEEE   RRR       RRRC
6CCEEEEEEEEEEEEEEEEE               RRC
5CCEEEEEfffffffEEEEE                RRC
4CCEEEfffffffffffEEERRRR            RRC
3CCEEfffffffffffffEERRR      HH      RC
2CCEEfffffffffffffEERR      HHHH      RC  Ogive End ->
1CCEEfffffffffffffEERR     HHHHHH     RC (pointy end)
0CCEEfffffffffffffEERR     HHHHHH     RC
9CCEEfffffffffffffEERR      HHHH      RC
8CCEEfffffffffffffEERRR      HH      RC
7CCEEEfffffffffffEEERRRR            RRC
6CCEEEEffffffffffEEE                RRC
5CCEEEEEEEEEEEEEEEEE               RRC
4CCEEEEEEEEEEEEEEEEE   RRR        RRC
3CCEEEEEEEEEEEEEEEEE   RRRR    RRRRC
2CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCRRRRRRRRRC
1CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
01234567890123456789012345678901234567

Legenda:
C - obudowa
E - materiał wybuchowy
f - materiał rozszczepialny
R - osłona promienista / radiation case
H - kapsuła paliwa wodorowego z gazem D-T

Autor szacuje, że masa materiału rozszczepialnego w takim projekcie mogła wynosić około 10 kg, a uzysk fuzyjny 750 ton wskazywałby na potrzebę użycia co najmniej 10 g mieszaniny D-T. Przy dużym ciśnieniu statycznym wodór może osiągać gęstości rzędu 0,1 mola/cm^3, co sugeruje objętość kapsuły co najmniej 40 cm^3, czyli sferę o promieniu 2,5-3 cm wraz ze ścianką.

4.3.3 Konstrukcja Alarm Clock / Layer Cake

Najwcześniejszy i najbardziej oczywisty pomysł na wykorzystanie reakcji fuzyjnych w broni polegał na otoczeniu rozszczepieniowego rdzenia warstwą paliwa fuzyjnego. Fala uderzeniowa zdominowana przez promieniowanie, wychodząca z rozszerzającego się rdzenia rozszczepieniowego, mogłaby sprężyć paliwo fuzyjne 7-16 razy i ogrzać je niemal do temperatury rdzenia. W takim stanie część paliwa mogłaby się spalić.

Szybko okazało się, że jedyną łatwo zapalającą się reakcją jest D-T, a koszt produkcji trytu czyni taką broń nieatrakcyjną. Żeby projekt stał się praktyczny, dodano dwie kluczowe idee.

Pierwsza polegała na użyciu Li-6D, czyli deuterku litu-6, jako paliwa. Uciekające z bomby rozszczepieniowej neutrony miałyby na miejscu wytwarzać tryt przez reakcję:

Li-6 + n -> T + He-4 + 4.78 MeV

Warstwa o grubości co najmniej 12 cm byłaby potrzebna, aby wychwycić większość neutronów. Sama ta reakcja dodatkowo podgrzewa paliwo fuzyjne.

Druga idea polegała na otoczeniu warstwy fuzyjnej tamperem z uranu. Taki tamper:

  1. pomaga utrzymać wysoką temperaturę,
  2. zapobiega zbyt łatwej ucieczce energii przez niskozetowe paliwo fuzyjne,
  3. zwiększa kompresję paliwa przez swą bezwładność,
  4. sam ulega szybkiemu rozszczepieniu pod wpływem neutronów fuzyjnych.

To właśnie szybkie rozszczepienie uranowego tampra daje znacznie więcej energii niż sama synteza i czyni cały układ praktycznym.

Autor podkreśla, że pomysł ten pojawił się niezależnie co najmniej trzy razy:

  1. u Edwarda Tellera w USA jako Alarm Clock,
  2. u Andrieja Sacharowa i Witalija Ginzburga w ZSRR jako Layer Cake,
  3. w Wielkiej Brytanii, choć bez znanego dziś jednoznacznego autora.

W ramach tej koncepcji istniały jednak różne warianty.

Pierwszy to projekt „jednorazowego przejścia”. W takim układzie neutrony uciekające z triggera hodują tryt, tryt ulega syntezie, a neutrony fuzyjne powodują szybkie rozszczepienie uranowego tampra. W tym wariancie uzysk całkowity jest mniej więcej podwojeniem energii samego triggera, być może trochę większym.

Znacznie większy efekt można osiągnąć, jeśli odpowiednio pogrubi się warstwę LiD i tamper. Wtedy część neutronów wtórnych z szybkiego rozszczepienia w tamperze wraca do warstwy fuzyjnej i powoduje hodowlę kolejnej generacji trytu. Powstaje wówczas sprzężony łańcuch rozszczepienie -> hodowla trytu -> synteza -> szybkie rozszczepienie, który trwa do chwili, gdy rozszerzający się tamper zaczyna tracić zbyt wiele neutronów.

Zaletą podejścia „jednorazowego” jest to, że można zbudować lżejszą bombę. Wadą jest to, że dla danej mocy trzeba użyć znacznie więcej drogiego materiału rozszczepialnego. Autor twierdzi, że moce przekraczające 1 Mt są możliwe, jeśli użyje się odpowiednio wielkiego triggera. Taką drogę mieli obrać Brytyjczycy. Jako przykład podaje Orange Herald, testowany podczas Grapple 2 31 maja 1957 roku. Użyto tam uranowego triggera o mocy rzędu 300 kt, a całkowita moc wyniosła 720 kt, czyli około 2,5 raza więcej.

Drugie podejście przyjęli Sowieci, czego dowodem był test Joe-4, przeprowadzony 12 sierpnia 1953 roku w Semipałatyńsku. Ta wersja dawała znacznie cięższą, ale tańszą bombę, bo wymagała dużo mniejszej ilości materiału rozszczepialnego. Ponieważ między reakcją fuzyjną a szybkim rozszczepieniem w tamperze pojawia się rzeczywisty efekt multiplikacji, uzysk można jeszcze poprawić, „doprawiając” warstwę fuzyjną trytem przed detonacją.

Urządzenie Joe-4 używało 40-kt bomby U-235 jako triggera i dało całkowitą moc 400 kt, czyli około dziesięciokrotny wzrost względem samego triggera, choć częściowo odpowiadał za to właśnie dodany tryt. Około 15-20% energii pochodziło z syntezy, czyli 60-80 kt, a pozostałe 280-300 kt z szybkiego rozszczepienia U-238. Późniejszy test bez dodatku trytu dał tylko 215 kt.

Autor ocenia, że maksymalna użyteczna moc takiego projektu wynosi być może około 1 Mt, po czym bomba staje się zbyt ciężka, by miała sens praktyczny. Dodaje też, że ZSRR mógł w ogóle nie wdrożyć bojowo żadnej broni opartej na tym schemacie.