Projekty broni termojądrowej i dalsze sekcje

Sekcja 4.5 Projekty broni termojądrowej i dalsze podsekcje

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

4.5 Projekty broni termojądrowej

Ponieważ różne elementy konstrukcyjne broni termojądrowej składają się na złożony, silnie zintegrowany system, omawianie przestrzeni projektowej takich urządzeń wymaga rozważenia wielu kompromisów między celami projektowymi. Autor próbuje uporządkować temat, zaczynając od zarysu kilku podstawowych struktur całej broni, w przybliżeniu od najprostszych do najbardziej zaawansowanych, a następnie przechodząc do kolejnych problemów i kompromisów.

4.5.1 Główne typy konstrukcji

Autor zaznacza, że zarówno opisy konkretnych projektów, jak i proponowana sekwencja rozwojowa mają charakter częściowo spekulacyjny, ale są zgodne z dostępnymi faktami dotyczącymi broni, programów rozwojowych i znanej fizyki.

4.5.1.1 Wczesne konstrukcje

Najwcześniejsze układy implozji radiacyjnej miały najprawdopodobniej postać pojedynczej dużej cylindrycznej komory obejmującej zarówno primary, jak i cylindryczny secondary. Obudowa była półkulista przy końcu, gdzie znajdowała się sfera primary. Cały układ termojądrowy był integralną częścią samej bomby: aerodynamiczny korpus bomby jednocześnie stanowił strukturę nośną radiation case i fizycznie utrzymywał całą broń.

Stany Zjednoczone i Wielka Brytania początkowo używały stalowych obudów, wykładanych ołowiem albo stopem ołowiu z bizmutem, tworzących radiation case. Pusher drugiego stopnia, stanowiący wewnętrzną ścianę kanału promieniowania, był wykonywany z naturalnego uranu albo z ołowiu. W broniach operacyjnych najpewniej dominowały uranowe tampery, bo maksymalizowały moc, ale część urządzeń testowych mogła używać ołowiu, by ograniczyć moc i opad promieniotwórczy. Między primary a secondary umieszczano masywną osłonę radiacyjną z uranu albo ołowiu, a niekiedy także osłonę borową przeciw preheatingowi neutronowemu.

Sam drugi stopień składał się z zewnętrznego pushera/tampra, szczeliny standoff i cylindra z paliwem fuzyjnym. Preferowanym paliwem dla maksymalnej mocy był Li-6D silnie wzbogacony w Li-6, ale niedobory zdolności wzbogacania litu powodowały użycie paliw tylko częściowo wzbogaconych albo nawet naturalnego litu. Wzdłuż osi cylindra paliwowego znajdował się pręt spark plug z plutonu albo HEU.

Takie wczesne konstrukcje podążały ścieżką Mike i urządzeń z serii Castle: duża szczelina standoff potrzebna do uzyskania łagodnej kompresji wymuszała dużą średnicę. Mike miał około 80 cali szerokości, a urządzenia Castle miały od 54 do 61,5 cala. Szybki impuls energii z primary, po którym następowała dłuższa implozja, wymagał grubego korpusu zapewniającego utrzymanie promieniowania, a to czyniło całą bombę bardzo ciężką. Nawet znacznie lżejsze od Mike urządzenia z Castle ważyły od 23 500 do 40 000 funtów.

W rezultacie pierwsze bomby termojądrowe były wielkie i miały ogromne moce. Mk 17 i Mk 24, bojowe rozwinięcia konstrukcji pokrewnej Castle Romeo, miały średnicę ponad 61 cali, ważyły około 42 000 funtów i dawały 15-20 Mt. Znacznie późniejsza i bardziej zaawansowana Mk 15, choć dużo lżejsza, nadal miała średnicę 34,6 cala, ważyła ponad 7000 funtów i miała moc 3,8 Mt. Były to zatem prawdziwe bomby lotnicze, nie głowice rakietowe.

Również primary tych bomb były wciąż stosunkowo ciężkie. TX-5 użyty w Mike ważył ponad tonę, a jego tamper i warstwy materiału wybuchowego opóźniały ucieczkę promieniowania i neutronów nawet o 100 ns.

4.5.1.2 Broń modułowa

W latach pięćdziesiątych średnica bomb i primary zaczęła spadać, częściowo dzięki lepszym projektom primary. Rosło zapotrzebowanie na lżejsze bronie o mocach megatonowych, bo dawały większą elastyczność operacyjną i lepiej pasowały do pierwszych ICBM, które miały mały udźwig i niską celność.

To doprowadziło do podejścia modułowego. Zamiast traktować aerodynamiczny korpus, elektronikę i physics package jako jeden nierozdzielny obiekt, zaczęto je oddzielać. Głowica jądrowa stawała się samodzielnym modułem, połączonym z elektroniką głównie przez interfejs do systemu odpalania materiału wybuchowego i generatora neutronów. Taki physics package można było następnie montować w różnych bombach i pociskach.

Ponieważ obudowa samej głowicy nie musiała już znosić wszystkich obciążeń gotowego systemu broni, można ją było wykonywać z lżejszych materiałów, jak stopy aluminium albo nawet tworzywa sztuczne, wyłożonych od środka ciężkim materiałem tworzącym radiation case.

4.5.1.3 Kompaktowe lekkie konstrukcje

Lepsze systemy implozyjne i pojawienie się boostingu pozwoliły mocno odchudzić primary, nie poświęcając ich mocy ani sprawności. Autor sugeruje, że około 1955-1956 pojawiły się co najmniej dwie ścieżki dalszego rozwoju.

Pierwsza rozwijała wcześniejsze pomysły: wzrost temperatur i ciśnień osiąganych przez lekkie primary kompensowano większym utrzymaniem promieniowania, zwłaszcza przez pogrubienie radiation case po stronie primary. Z czasem doprowadziło to do oddzielnego radiation case dla primary, na przykład w postaci ciężkiej sferycznej powłoki uranowej z otworem prowadzącym energię do komory drugiego stopnia. Dodatkowe baffle i przesłony pozwalały dalej modulować przepływ energii.

Druga droga, którą autor podejrzewa o wdrożenie przez USA od serii Hardtack I, mogła polegać na użyciu modulowanego wydzielania energii przez primary. Łączy to z rozwojem bardzo lekkiej głowicy W-47 dla rakiety Polaris, mającej około 600 lb masy przy mocy około 600-800 kt.

4.5.1.4 Konstrukcje dwukomorowe

Naturalnym rozwinięciem osobnego radiation case dla primary stały się pełne konstrukcje dwukomorowe, z mechanizmem kontrolującym przepływ promieniowania między komorami. Dzięki lepszej kontroli strumienia promieniowania wokół secondary można było zmniejszyć szczelinę standoff, a tym samym średnicę drugiego stopnia i masę tampra.

Takie rozwiązanie dobrze łączy się też z drugim stopniem sferycznym, czyli układem określanym jako „peanut design”: dwie kuliste komory połączone w przewężeniu, z primary w jednej i secondary w drugiej. Przy takim układzie korzysta się z zalet prawdziwej trójwymiarowej implozji: dla osiągnięcia tego samego stopnia kompresji potrzeba mniejszej zmiany promienia niż w geometrii cylindrycznej, a to oznacza szybszą implozję.

W takiej konstrukcji osłona radiacyjna między primary a secondary przekształca się w przegrodę kierującą promieniowanie tak, by nie ogrzewało bezpośrednio jednej strony secondary, lecz najpierw równomiernie rozchodziło się w jego komorze.

Autor sugeruje także, że w konstrukcji dwukomorowej primary może być otoczone ciasno dopasowaną ciężką skorupą uranową, działającą jednocześnie jako tamper implozyjny i „ściana tłoka” dla gazów materiału wybuchowego. Takie rozwiązanie minimalizowałoby ilość potrzebnego materiału wybuchowego.

4.5.1.5 Konstrukcje z pustą powłoką

Wcześniej zauważono, że przy stałym paliwie w centrum trudno wydajnie ściskać więcej niż zewnętrzne warstwy. Skoro to właśnie zewnętrzne warstwy zawierają większość masy, naturalnym krokiem jest całkowita rezygnacja z litego paliwa w centrum i użycie od początku pustej powłoki paliwowej. Wewnątrz niej można umieścić wydrążony spark plug, a nawet dodatkową warstwę wewnętrznego tampra.

Takie rozwiązanie można zastosować zarówno w geometrii cylindrycznej, jak i sferycznej. Autor widzi tu kilka zalet:

1. znika paliwo ze środka, które i tak byłoby ściskane słabo,
2. gęsta warstwa od strony wewnętrznej odbija i wzmacnia fale kompresyjne w paliwie,
3. spark plug może osiągnąć bardzo duże prędkości implozji przed osiągnięciem krytyczności.

Autor dopuszcza, że prędkości implozji przekraczające 1000 km/s są tu wyobrażalne. Tak szybka implozja pozwalałaby na bardzo wydajne rozszczepienie nawet bardzo małych mas HEU albo plutonu. Tego typu secondary byłyby szczególnie ważne, jeśli primary rzeczywiście korzystałyby z modulowanego wydzielania energii.

4.5.1.6 Konstrukcje o dużej mocy i wielostopniowość

Pierwsze urządzenia termojądrowe i tak miały moce ogromne, 10,4 Mt dla Ivy Mike i 15 Mt dla Castle Bravo, ale były bardzo ciężkie i trudne do dalszego skalowania. Potrzebne były bronie o jeszcze lepszym stosunku mocy do masy.

W pierwszym przybliżeniu energia potrzebna do implozji secondary jest proporcjonalna do jego masy, a uzysk secondary także mniej więcej rośnie z masą. Stąd dla podobnych schematów konstrukcyjnych między mocą primary i secondary istnieje dość stały mnożnik. Autor ocenia, że stosunek mocy pomiędzy stopniami może wynosić od około 10 do 200, przy czym typowe wartości to mniej więcej 30-50.

Jeśli więc żąda się bardzo dużej mocy całkowitej, trzeba mieć bardzo duży primary, a to oznacza ciężar, koszt i problemy bezpieczeństwa. W praktyce czysto rozszczepieniowy primary trudno podnosić ponad kilkaset kiloton, co ogranicza dwustopniowe konstrukcje do zakresu mniej więcej 10-20 Mt.

Stąd pojawiły się konstrukcje trzystopniowe, gdzie secondary staje się napędem dla ogromnego tertiary. Autor wskazuje jako przykład W-53, prawdopodobnie trzystopniową broń o mocy 9 Mt. Zauważa też, że military chciały jeszcze więcej, a ZSRR zbudował nawet projekt ponad 100 Mt, testowany ostatecznie jako 50 Mt.

Wielostopniowość nie służy jednak wyłącznie ekstremalnym mocom. Jeśli projekt ma być bardzo „czysty”, a więc z ograniczonym udziałem rozszczepienia tampra, wtedy uzysk z kolejnych stopni spada i trzy stopnie mogą okazać się potrzebne już przy mocach zaledwie kilku megaton.

4.5.2 „Brudne” i „czyste” bronie

Jednym z najbardziej podstawowych wyborów projektowych jest odpowiedź na pytanie, czy z bomby fission-fusion zrobić bombę fission-fusion-fission. W pierwszym wariancie tamper jest obojętny neutronowo i większość energii pochodzi bezpośrednio z syntezy. W drugim co najmniej połowa, a często dużo więcej, pochodzi z rozszczepienia tampra wywołanego neutronami fuzyjnymi.

Zasadnicza zaleta „brudnej” konstrukcji jest oczywista: tamper i tak musi istnieć, więc skoro można z niego jeszcze wycisnąć energię, to przy tym samym ciężarze uzyskuje się większą moc. Ponieważ użycie naturalnego albo zubożonego uranu czy toru nie daje wielkiej kary kosztowej, praktycznie nie ma powodu tego nie robić, jeśli jedynym celem jest maksymalna energia wybuchu.

Problemem jest oczywiście opad promieniotwórczy. Zastąpienie rozszczepialnego tampra materiałem takim jak ołów czy wolfram znacząco zmniejsza skażenie, ale kosztem cięższej i droższej broni dla tej samej mocy.

Autor wyraźnie zaznacza jednak, że „czysta” broń nie jest czysta w potocznym sensie. Nadal:

1. uciekające neutrony mogą aktywować azot w powietrzu do C-14,
2. primary i spark plug wciąż dają 10-20% energii z rozszczepienia,
3. aktywować mogą się także materiały samego tampra,
4. część trytu pozostaje niespalona.

Dlatego prawdziwie „minimal residual radiation” wymaga dużo bardziej wyspecjalizowanego projektu.

W latach pięćdziesiątych zarówno USA, jak i ZSRR rozważały rodziny konstrukcji mające mieć warianty „czyste” i „brudne”. Zasadniczy pomysł polegał na minimalizacji niezbędnej energii z rozszczepienia przez mały primary i bardzo oszczędnie dobrane spark plugi, a następnie budowaniu wersji „brudnej” przez zastępowanie obojętnego tampra tertiary tamprem rozszczepialnym.

Jako przykłady autor podaje Bassoon i Bassoon Prime z testów Redwing Zuni i Redwing Tewa. Różnice w masie, uzysku fuzyjnym i całkowitym wskazują, że nie chodziło tylko o prostą zamianę jednego tampra na drugi, lecz o rzeczywistą przebudowę całego tertiary.

Najbardziej znanym przykładem skrajnie „czystej” wielkiej bomby była Tsar Bomba, która przy mocy 50 Mt miała około 97% uzysku z syntezy. Autor zauważa, że jej testowana wersja używała ołowianego tampra, ale projektowano również wersję znacznie „brudniejszą”, wykorzystującą U-238.

4.5.3 Maksymalny stosunek mocy do masy

Poza bezpieczeństwem to właśnie masa głowicy dla zadanej mocy staje się z czasem dominującym kryterium projektowym. Nośniki broni jądrowej są bardzo drogie, a ich koszt zwykle znacznie przekracza koszt samej głowicy. To prowadzi do obsesji na punkcie yield-to-weight ratio, czyli YTW.

Autor przytacza przykładowe YTW dla amerykańskich głowic:

Mk-53   2.25 kt/kg
W-88    1.5  kt/kg
W-80    1.31 kt/kg
B-83    1.10 kt/kg
W-87    1.0  kt/kg
W-78    0.96 kt/kg
W-76    0.61 kt/kg

Widać z tego, że najwyższy stosunek osiąga duża, stara broń wielomegatonowa, ale nowoczesne głowice też są bardzo wydajne.

Autor przypomina, że część tej optymalizacji to zwykłe „odchudzanie”: lekkie primary, lekkie obudowy i bardziej wydajne wykorzystanie tampra. Po zakończeniu prób atmosferycznych względy „czystości” praktycznie przestały być dla projektantów ważne, a presja na lepszy YTW stała się jeszcze silniejsza. To prawdopodobnie szybko wyeliminowało z praktyki clean konstrukcje z nierozszczepialnymi tamperami.

Możliwości YTW poprawia jeszcze użycie HEU w secondary. Autor przypomina, że około połowa amerykańskiego HEU przypisanego do broni miała wzbogacenie niższe od klasycznego „weapons grade”, co najpewniej oznacza użycie tego materiału właśnie w tamperach albo innych warstwach drugich stopni. Jako przykład podaje W-87, którego moc można było podnieść z 300 do 475 kt przez dodanie tulei albo pierścieni HEU.

W tym miejscu autor stawia prowokujące pytanie: skoro w secondary można umieścić znaczną ilość HEU, to po co w ogóle jeszcze paliwo fuzyjne? Sugeruje, że być może nie jest ono bezwzględnie konieczne, a powrót do idei Ulama, czyli lekkiej i wysoko sprawnej broni rozszczepieniowej napędzanej implozją radiacyjną, może być całkowicie realny. Kończy to pytaniem, czy wszystkie współczesne bronie strategiczne rzeczywiście są jeszcze „termojądrowe”.

4.5.4 Konstrukcje MRR, czyli „clean”

Autor przypomina, że zwykłe bomby fission-fusion-fission, nawet jeśli formalnie mają tylko około 50% uzysku z rozszczepienia, są na tyle „brudne”, że same w sobie zasługują na traktowanie jako bronie radiologiczne. Użycie nierozszczepialnego tampra i zejście do kilku procent energii z rozszczepienia poprawia sytuację, ale wciąż nie daje broni naprawdę mało skażającej.

Jeśli rzeczywiście zależy nam na minimalnym promieniowaniu resztkowym, trzeba:

1. radykalnie ograniczyć udział energii z rozszczepienia,
2. zminimalizować aktywację neutronową materiałów bomby i otoczenia,
3. ograniczyć użycie materiałów szczególnie toksycznych, jak pluton.

Takie projekty są szczególnie istotne w koncepcji PNE, czyli pokojowych wybuchów jądrowych. Autor zauważa jednak, że nawet najbardziej wysilone MRR dają zwykle wciąż zbyt duże poziomy promieniowania jak na zastosowania cywilne. Z militarnego punktu widzenia mogą mieć jeszcze wartość jako broń taktyczna, ale kosztem większej złożoności i gorszego stosunku mocy do masy.

Autor podkreśla też fundamentalny problem polityczny: nie da się skonstruować urządzenia PNE, które nie nadawałoby się jednocześnie do wykorzystania wojskowego.

4.5.5 Konstrukcje radiologiczne

To przeciwieństwo MRR. Zamiast ograniczać skażenie, projekt celowo maksymalizuje je albo dostosowuje do pożądanego przedziału czasów połowicznego zaniku. Autor wcześniej wymieniał tantal, kobalt, cynk i złoto jako kandydatów do takich zastosowań. Zaznacza, że praktyczna broń radiologiczna musiałaby zawierać prekursor aktywowanego izotopu bezpośrednio w secondary, bo tylko dzięki kompresji można wtedy zastosować rozsądne masy materiału.

Jako szczególnie interesujący przykład podaje Na-24, bardzo silny emiter gamma o krótkim czasie połowicznego zaniku 14,98 h. Problem polega na tym, że najprostszy prekursor, Na-23, ma zbyt mały przekrój wychwytu w zakresie energii neutronów, więc lepszym kandydatem może być Mg-24 przez reakcję (n,p).

4.6 Projektowanie systemów uzbrojenia

4.6.1 Bezpieczeństwo broni

Ze względu na ogromną siłę rażenia niezwykle ważne jest zagwarantowanie, że broń jądrowa nie będzie mogła eksplodować ani z pełną mocą, ani z mocą częściową, jeśli nie zostaną spełnione bardzo rygorystyczne warunki.

Broń musi być odporna na:

1. celowe manipulacje,
2. błąd ludzki,
3. awarie komponentów i systemów,
4. przypadkowe uszkodzenia.

Wymaga to złożonych systemów blokad, kluczy i kodów, wielokrotnych zabezpieczeń, czujników środowiskowych, rozbudowanych układów zapalających oraz procedur wymagających współpracy wielu osób.

Źródło w tym miejscu urywa się i zostawia następujące podsekcje jako nieukończone:

1. 4.6.1.1 Safeties and Fuzing Systems
2. 4.6.1.2 Accident Safety

4.6.2 Konstrukcje o zmiennej mocy

**** Unfinished ****

4.6.3 Inne nowoczesne cechy konstrukcyjne

**** Unfinished ****

4.7 Spekulacyjne projekty broni

**** Unfinished ****

4.8 Symulacja i testowanie

**** Unfinished ****