Sekcja 12.0 Tabele referencyjne

Nuclear Weapons Frequently Asked Questions

Wersja 2.04: 5 kwietnia 2023

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

12.0 Tabele referencyjne

Ten rozdział ma charakter czysto referencyjny. Zawiera zestaw podstawowych przeliczników, przybliżeń energetycznych, najważniejszych jednostek, stałych fizycznych oraz dużych tabel własności izotopów istotnych dla rozszczepienia, syntezy, projektowania broni jądrowej, osłon, moderatorów i materiałów konstrukcyjnych.

Przeliczniki

PRZELICZNIKI
Jednostka         Równoważność
1 kt              10^12 kalorii
                  4.19x10^12 dżuli
                  4.19x10^19 ergów
                  2.62x10^31 eV
                  2.62x10^25 MeV
                  rozszczepienie 0.241 mola materiału (1.45x10^23 jąder)
                  rozszczepienie ok. 57 g materiału
                  1.16x10^6 kilowatogodzin
                  3.97x10^9 BTU
1 eV              1.602177 x 10^-12 erga
                  11606 K
1 bar             10^5 paskali
                  10^6 dyn/cm^2
                  0.98687 atmosfery
                  14.5038 PSI
1 kaloria         4.1868 J

Wygodne przybliżenia energii

  • Rozszczepienie Th-232: 16.77 kt/kg
  • Rozszczepienie U-233: 17.89 kt/kg
  • Rozszczepienie U-235: 17.74 kt/kg
  • Rozszczepienie U-238: 17.27 kt/kg
  • Rozszczepienie Pu-239: 18.29 kt/kg
  • Rozszczepienie Pu-241: 18.10 kt/kg

Źródło bazowe: Sher, R.; Beck, C. 1981. Fission Energy Release for 16 Fissioning Nuclides. NP-1771. Stanford University, Department of Mechanical Engineering, March 1981.

Synteza czystego deuteru: 82.2 kt/kg
Synteza trytu i deuteru (50/50): 80.4 kt/kg
Synteza deuterku litu-6: 64.0 kt/kg
Synteza deuterku litu-7: TBD
Pełna konwersja masy w energię: 21480.7643 kt/kg
Rozszczepienie 1.11 g U-235: 1 megawatodzień (cieplny)

Ważne jednostki pomiaru

Wielkość mierzona            Jednostka   Symbol   Definicja
Mikroskopowy przekrój        barn        b        10^-24 cm^2
Aktywność promieniotwórcza   bekerel     Bq       1 rozpad/s
                             curie       Ci       3.7x10^10 rozpadów/s
Dawka pochłonięta            gray        Gy       1 J/kg
                             rad         -        100 erg/g
Równoważnik biologiczny      siwert      Sv       Gy*Q
                             rem         -        rad*RBE
Dawka gamma/X                roentgen    R        94 erg/g
Energia wybuchu              kilotona    kt       10^12 kalorii
Współczynnik jakości         -           Q
Ciśnienie                    bar         -        10^5 paskali

Stałe fizyczne

Wielkość                       Symbol   Wartość                 Jednostka
Prędkość światła w próżni      c        2.99792458 x 10^10     cm/s
Stała Plancka                  h        6.62608 x 10^-27       erg*s
Stała Avogadra                 N_A      6.02214 x 10^23        atom/mol
Molowa stała gazowa            R        8.3145 x 10^7          erg/(mol K)
Stała Boltzmanna               k        1.3806 x 10^-16        erg/K
Stała Stefana-Boltzmanna       sigma    5.670 x 10^-5          erg/cm^2 K^4 s
Objętość molowa gazu idealnego V_0      2.2414 x 10^5          cm^3
Atomowa jednostka masy         m_0      1.66054 x 10^-24       g
                               m_0      9.31494 x 10^8         eV

Własności izotopów rozszczepialnych i fisylnych

Poniższa tabela zbiera podstawowe własności izotopów szczególnie ważnych z punktu widzenia broni jądrowej:

  • okres półtrwania,
  • główny tryb rozpadu,
  • szybkość samorzutnego rozszczepienia,
  • przekrój czynny na rozszczepienie,
  • liczność neutronów na rozszczepienie,
  • masa krytyczna,
  • moc cieplna rozpadu,
  • aktywność właściwa.
Izotop Okres półtrwania (lata) Główny rozpad SF (rozszczepień/s/kg) Przekrój rozszczepienia sigma nu_SF nu_FS Masa krytyczna (kg) Ciepło rozpadu Q (W/kg) Aktywność właściwa (Ci/kg)
Th-232 1.405 x 10^10 alfa 4.083 MeV <5 x 10^-5 0.0785 - 2.16 brak 2.654 x 10^-6 1.097 x 10^-4
Pa-231 32,760 alfa 5.149 MeV <5 0.834 - 2.457 >188 1.442 47.23
U-232 68.9 alfa 5.414 MeV 2 x 10^-3 2.013 2 3.296 >5 717.6 22,360
U-233 159,200 alfa 4.909 MeV - 1.946 - 2.649 16 0.2804 9.636
U-234 245,500 alfa 4.859 MeV 3.9 1.223 1.8 2.578 >41 0.1792 6.222
U-235 7.038 x 10^8 alfa 4.679 MeV 5.6 x 10^-3 1.235 2.0 2.6055 48 5.994 x 10^-5 2.161 x 10^-3
U-236 2.342 x 10^7 alfa 4.572 MeV 2.30 0.594 1.8 2.526 >167 1.753 x 10^-3 0.06467
U-238 4.468 x 10^9 alfa 4.270 MeV 5.51 0.308 1.97 +- 0.07 2.6010 brak 8.508 x 10^-6 3.361 x 10^-4
Np-237 2.144 x 10^6 alfa 4.959 MeV <0.05 1.335 2 2.889 75-105 0.02068 0.7034
Pu-238 87.7 alfa 5.593 MeV 1.204 x 10^6 1.994 2.28 +- 0.10 3.148 9 5.678 x 10^5 17,120
Pu-239 24,110 alfa 5.245 MeV 10.1 1.800 2.9 3.1231 10.5 1.929 62.03
Pu-240 65,640 alfa 5.256 MeV 478,000 1.357 2.189 +- 0.026 3.061 40 7.07 227
Pu-241 14.35 beta 0.021 MeV <0.8 1.648 - 3.142 12 129.4 1.033 x 10^5
Pu-242 373,300 alfa 4.984 MeV 805,000 1.127 2.28 +- 0.13 3.070 95 0.1169 3.956
Am-241 432.2 alfa 5.638 MeV 500 1.378 2 3.457 83.5 114.7 3,431
Cf-251 898 alfa 6.176 MeV - 2.430 - 4.560 1.94 58.05 1,586

Własności izotopów i przekroje czynne neutronów

Ta podsekcja obejmuje większość izotopów interesujących z punktu widzenia:

  • bezpośrednich zastosowań w broni jądrowej,
  • zastosowań pośrednich,
  • zastosowań teoretycznych,
  • projektowania osłon, moderatorów, reflektorów i materiałów konstrukcyjnych.

Dane neutronowe pochodzą z bazy ENDF-VI, opracowywanej przez National Nuclear Data Center (NNDC) w Brookhaven National Laboratory (BNL). Przy przygotowaniu zestawień korzystano także z pomocy Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI).

Uwagi do tabel:

  • średnie wartości Maxwellian average cross sections odnoszą się do rozkładu cieplnego z maksimum przy 0.0253 eV,
  • objętość molowa oznacza minimalną objętość na mol dla najgęstszej fazy w warunkach normalnych,
  • SF oznacza samorzutne rozszczepienie,
  • podane masy krytyczne dla izotopów fisylnych odnoszą się do nagich kul w najgęstszej fazie przy STP,
  • autor podkreśla, że jego własne obliczenia jedno-grupowe zaniżają rzeczywistą masę krytyczną, bo nie uwzględniają pełnego efektu zmiękczania widma przez rozpraszanie nieelastyczne.

Główne źródła pomocnicze:

  • Paxton, H.C.; Pruvost, N.L. Critical Dimensions of Systems Containing 235-U, 239-Pu, and 233-U; 1986 Rev.
  • Samuel Glasstone, Leslie M. Redman, An Introduction to Nuclear Weapons
  • Amory Lovins, Nuclear Weapons and Power-Reactor Plutonium
  • IRSN, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport

Wodór

1-H-1

Najlżejszy możliwy atom, a przez to bardzo skuteczny moderator neutronów. Szeroko używany w materiałach konstrukcyjnych broni jądrowej, zwłaszcza w tworzywach sztucznych. Ze względu na dobrą moderację i małą masę wykorzystuje się go także do utwardzania broni przeciw zewnętrznemu strumieniowi neutronów, szczególnie razem z Li-6.

1-H-2 (deuter)

Najlepszy moderator reaktorowy dzięki wysokiej skuteczności spowalniania neutronów i bardzo niskiemu przekrojowi absorpcji. Podstawowe paliwo fuzyjne w broni termojądrowej; może być też używany do boostingu i w generatorach neutronów.

1-H-3 (tryt)

Podstawowe paliwo termojądrowe, najskuteczniejsze w połączeniu z deuterem, bo reakcja D+T zapala się najłatwiej i jest jedną z najbardziej energetycznych. Tryt jest też produkowany in situ w broni termojądrowej w reakcjach hodowlanych. Może być dodatkowo wprowadzany do broni do boostingu, bomb neutronowych i źródeł neutronów.

Hel

Sekcja zawiera dane dla izotopów helu wykorzystywanych głównie jako produkty rozpadu i w analizie reakcji jądrowych. Ich znaczenie praktyczne dla broni jest mniejsze niż dla wodoru i litu, ale pozostają ważne w bilansach energetycznych i reakcjach wtórnych.

Lit

Izotopy litu są kluczowe dla broni termojądrowej, zwłaszcza Li-6, który pozwala hodować tryt pod wpływem neutronów. Właśnie dlatego związki litu, przede wszystkim deuterolitek, stały się standardowym paliwem nowoczesnych bomb wodorowych.

Beryl

Be-9 jest znakomitym reflektorem neutronów i jednocześnie lekkim materiałem konstrukcyjnym. Ma bardzo wysoki przekrój rozpraszania na jednostkę objętości i bardzo niski przekrój absorpcji. Dlatego jest powszechnie używany do budowy kompaktowych, lekkich broni rozszczepieniowych. Dodatkowo beryl może generować neutrony w reakcjach (n,2n), (gamma,n) i (alpha,n), dlatego historycznie stosowano go w inicjatorach z Po-210 oraz w laboratoryjnych źródłach neutronów.

Bor

B-10

Najlepszy naturalny pochłaniacz neutronów szybkich i bardzo dobry pochłaniacz neutronów powolnych. Stosowany w reaktorach jako trucizna wypalana lub materiał na pręty regulacyjne. W broni jądrowej używano go do utwardzania wobec zewnętrznego strumienia neutronów oraz do ograniczania podgrzewania wstępnego stopni fuzyjnych przez pierwszy stopień rozszczepieniowy. Rozważano go też przy koncepcjach „czystych” bomb termojądrowych.

B-11

Dominuje w naturalnym borze i występuje we wszystkich mieszankach borowych, w których B-10 nie został wydzielony.

Kobalt

Choć koncepcja bomby kobaltowej jest dobrze znana, źródło zaznacza, że Co-59 nie uchodzi za izotop, który kiedykolwiek realnie rozważano bardzo poważnie w praktycznej broni. Powodem jest zbyt długi okres półtrwania Co-60, który nie daje wystarczająco silnego efektu wojskowego w krótkim czasie.

Tantal

Ta-181, który stanowi prawie cały naturalny tantal, był badany w USA w latach pięćdziesiątych jako potencjalny materiał do broni o zwiększonym efekcie promieniotwórczego opadu. W porównaniu z Co-60 jego produkt aktywacji Ta-182 miał krótszy okres półtrwania (115 dni zamiast 5.26 roku) oraz większy przekrój dla neutronów epitermicznych.

Tor

Th-232 nie jest materiałem fisylnym w zwykłym sensie, ale jest ważnym materiałem płodnym. Tabele pokazują jego przekroje dla rozpraszania, wychwytu i rozszczepienia neutronami szybkimi. Sekcja zawiera też zestawienie średniej liczby neutronów natychmiastowych Nu_p dla różnych energii padających neutronów.

Protaktyn

Pa-231 jest tu pokazany jako materiał o ograniczonym znaczeniu praktycznym, ale interesujący teoretycznie. Źródło podaje, że prawdopodobnie nie jest materiałem naprawdę fisylnym w sensie praktycznego projektowania broni, mimo że proste modele dają bardzo niskie dolne oszacowania masy krytycznej.

Uran

To jedna z najważniejszych części zestawienia. Obejmuje m.in.:

  • U-232
  • U-233
  • U-234
  • U-235
  • U-236
  • U-238

Źródło podaje dla nich:

  • masy atomowe,
  • energie rozpadu,
  • okresy półtrwania,
  • aktywności właściwe,
  • moce cieplne,
  • typy rozpadu,
  • masy krytyczne,
  • przekroje dla rozpraszania, wychwytu, (n,2n), (n,3n) i rozszczepienia,
  • oraz wartości Nu_p dla różnych energii neutronów.

Najważniejszy praktycznie pozostaje U-235, podstawowy materiał do konstrukcji działowych i jeden z głównych materiałów rozszczepialnych broni jądrowej. U-233 jest bardzo dobrym materiałem fisylnym, ale trudnym z powodów radiologicznych i technologicznych. U-238 ma kluczowe znaczenie jako materiał płodny, tamper i składnik płaszczy szybkiego rozszczepienia.

Neptun

Np-237 pojawia się jako izotop o znaczeniu bardziej teoretycznym i specjalistycznym. Źródło uwzględnia go ze względu na rozważania o masie krytycznej i ogólnej fizyce aktynowców.

Pluton

Sekcja plutonowa jest obszerna i obejmuje:

  • Pu-238
  • Pu-239
  • Pu-240
  • Pu-241
  • Pu-242

To jeden z najważniejszych zestawów danych dla inżynierii broni. Szczególne znaczenie mają:

  • Pu-239 jako podstawowy materiał do bomb implozyjnych,
  • Pu-240 jako izotop „trujący” z bardzo wysoką szybkością samorzutnego rozszczepienia,
  • Pu-241 i Pu-242 jako składniki wpływające na parametry rzeczywistego plutonu reaktorowego i wojskowego.

Źródło pokazuje, jak dramatycznie rośnie szybkość samorzutnego rozszczepienia przy przejściu od Pu-239 do Pu-240 i Pu-242, co bezpośrednio tłumaczy problemy z metodą działową oraz spadek jakości materiału przy zbyt długim napromienieniu paliwa.

Ameryk

Podano dane dla Am-241 i Am-243. Izotopy te są ważne przede wszystkim z punktu widzenia radiotoksyczności, aktywności i teorii krytyczności ciężkich aktynowców. Am-241 ma bardzo wysoką aktywność właściwą i duże wydzielanie ciepła, co praktycznie utrudniałoby wykorzystanie go w prostych konstrukcjach.

Kaliforn

Sekcja obejmuje Cf-249 i Cf-251. To skrajnie „mocne” aktynowce z bardzo wysoką fisylnością i małymi masami krytycznymi. Cf-251 jest jednym z najbardziej efektywnych znanych materiałów fisylnych w ujęciu czysto neutronicznym, ale jego praktyczne zastosowanie jest silnie ograniczone przez dostępność, koszt i problemy produkcyjne.

Uwagi końcowe

Ten rozdział nie służy do czytania liniowo, tylko jako zaplecze liczbowo-techniczne dla reszty NW FAQ. To tutaj w jednym miejscu zebrano przeliczniki energii, jednostki, stałe, podstawowe charakterystyki aktynowców oraz wartości przekrojów czynnych dla izotopów istotnych dla rozszczepienia, syntezy, moderatorów, reflektorów i koncepcji specjalnych.

Najważniejsza wartość tego materiału polega na tym, że pozwala zestawić obok siebie własności bardzo różnych materiałów: od deuteru i litu, przez beryl i bor, po uran, pluton, ameryk i kaliforn. Dzięki temu łatwo zobaczyć, jak bardzo praktyczna inżynieria broni jądrowej zależy od kompromisu między fisylnością, spontaniczną emisją neutronów, aktywnością, wydzielaniem ciepła i dostępnością materiału.