Integralni hitri reaktor. Sovjetska bomba z ameriškim poudarkom Uranova bomba

Nevtronski iniciator.
Prva stopnja, nevtronski iniciator, imenovan tudi Urchin, je berilijeva sferična lupina s premerom 2 cm in debelino 0,6 cm. V njej je berilijeva obloga s premerom 0,8 cm je približno 7 gramov. Na notranji površini lupine je narejenih 15 klinastih rež z globino 2,09 mm. Sama lupina je pridobljena z vročim stiskanjem v atmosferi karbonilnega niklja, njena površina in notranja krogla sta prekriti s plastjo niklja in zlata. 50 curijev polonija-210 (11 mg) se je odložilo na notranjo kroglo in razpoke v lupini. Plasti zlata in niklja ščitijo berilij pred alfa delci, ki jih oddaja polonij ali plutonij, ki obdaja iniciator. Iniciator je nameščen na nosilcu znotraj votline s premerom 2,5 cm v plutonijevem jedru.
Urchin se aktivira, ko udarni val doseže središče naboja. Ko udarni val doseže stene notranje votline v plutoniju, udarni val iz izhlapenega plutonija deluje na iniciator, zdrobi reže s polonijem in ustvari Munroejev učinek - močne curke materiala, ki hitro premešajo polonij in berilij iz zunanje in notranje sfere. Alfa delce, ki jih oddaja Po-210, absorbirajo atomi berilija, ti pa oddajajo nevtrone.

Plutonijev naboj.
Devet centimetrska krogla z 2,5 cm veliko votlino v sredini za nevtronski iniciator. To obliko naboja je predlagal Robert Christy za zmanjšanje asimetrije in nestabilnosti med implozijo.
Plutonij v sredici se stabilizira v delta fazi z nizko gostoto (gostota 15,9) tako, da se zlije s 3% galija glede na količino snovi (0,8% po masi). Prednosti uporabe delta faze pred gostejšo alfa fazo (gostota 19,2) so v tem, da je delta faza voljna in upogljiva, medtem ko je alfa faza krhka in krhka, poleg tega pa stabilizacija plutonija v delta fazi omogoča izogibanje krčenju med ohlajanje in deformacija obdelovanca po litju ali vročem obdelovanju. Morda se zdi, da je uporaba materiala z nižjo gostoto za sredico lahko neugodna, saj je uporaba gostejšega materiala boljša zaradi večje učinkovitosti in zmanjšanja potrebne količine plutonija, vendar se izkaže, da to ni povsem res. Delta-stabiliziran plutonij preide v alfa fazo pri relativno nizkih tlakih na desettisoče atmosfer. Tlak več milijonov atmosfer, ki nastane med implozijsko eksplozijo, povzroči ta prehod skupaj z drugimi pojavi, ki nastanejo med takim stiskanjem. Tako je pri plutoniju v delta fazi večje povečanje gostote in večji vnos reaktivnosti, kot bi se to zgodilo v primeru goste alfa faze.

Jedro je sestavljeno iz dveh hemisfer, verjetno prvotno ulitih v surovce in nato obdelanih z vročim stiskanjem v atmosferi karbonilnega niklja. Ker je plutonij zelo reaktivna kovina in je poleg tega nevarna za življenje, je vsaka hemisfera prevlečena s plastjo niklja (ali srebra, kot poročajo za jedro Gadget-a). z nikljem (ali srebrom) je povzročil nastanek lupin v kovini in njeno neprimernost za uporabo v jedru. Previdno brušenje in plastenje zlatih plasti je obnovilo napake, ki so jih povzročile poloble. Vsekakor pa je bila tanka zlata plast (debela približno 0,1 mm) med hemisferama nujen del zasnove, ki je služila za preprečevanje prezgodnjega prodiranja curkov udarnih valov med hemisferama, ki bi lahko predčasno aktivirali nevtronski iniciator.

Ohišje iz urana/nevtronski reflektor.
Plutonijev naboj je obdan z ohišjem iz naravnega urana, ki tehta 120 kg in ima premer 23 cm. To ohišje tvori sedemcentimetrsko plast okoli plutonija. Debelina urana je določena z nalogo ohranjanja nevtronov, zato je za zaviranje nevtronov dovolj večcentimetrska plast. Debelejše telo (ki presega 10 cm debeline) dodatno zagotavlja znatno ohranitev nevtronov za celotno strukturo, vendar pa učinek "začasne absorpcije", ki je neločljivo povezan s hitrimi, eksponentno razvijajočimi se verižnimi reakcijami, zmanjša prednosti uporabe debelejšega reflektorja.
Približno 20 % energije bombe se sprosti zaradi hitre cepitve uranovega ohišja. Jedro in telo skupaj tvorita minimalno subkritični sistem. Ko implozijska eksplozija stisne sklop na 2,5-kratno normalno gostoto, začne jedro vsebovati približno štiri do pet kritičnih mas.

"Potiskač"/absorber nevtronov.
Plast aluminija, ki obdaja uran, debela 11,5 cm, tehta 120 kg. Glavni namen te krogle, imenovane "potiskalec", je zmanjšati učinek Taylorjevega vala, hitrega zmanjšanja tlaka, ki se pojavi za detonacijsko fronto. Ta val se med implozijo povečuje, kar povzroča vse hitrejši padec tlaka, ko se detonacijska fronta konvergira v eno točko. Delni odboj udarnega vala, ki se pojavi na vmesniku eksploziv (sestava "B")/aluminij (zaradi razlike v gostotah: 1,65/2,71), pošlje sekundarno fronto nazaj v eksploziv in zatre Taylorjev val. To poveča pritisk oddanega vala, kar poveča stiskanje v središču jedra.
Aluminijev »potiskač« vsebuje tudi delež bora. Ker je sam bor krhka nekovinska snov in ga je težko uporabiti, je verjetno, da je vsebovan v obliki aluminijeve zlitine, ki jo je enostavno obdelati, imenovane boraks (35–50 % bora). Čeprav je njegov skupni delež v lupini majhen, ima bor vlogo absorberja nevtronov, ki preprečuje, da bi nevtroni, ki uhajajo od tam, prišli nazaj v sklop plutonij-uran, upočasnjen v aluminiju in eksplozivih do toplotnih hitrosti.

Eksplozivna lupina in detonacijski sistem.
Eksplozivno ohišje je plast močnega eksploziva. Debela je približno 47 cm in tehta najmanj 2500 kg. Ta sistem vsebuje 32 eksplozivnih leč, od katerih jih je 20 šesterokotnih in 12 peterokotnih. Leče so med seboj povezane na nogometni način, da tvorijo sferični eksplozivni sklop s premerom približno 130 cm. Vsak ima 3 dele: dva sta izdelana iz eksploziva z visoko hitrostjo detonacije, eden od njih je izdelan iz nizke hitrosti detonacije. Zunanji del hitro detonirajočega eksploziva ima stožčasto vdolbino, napolnjeno z eksplozivom z nizko hitrostjo detonacije. Ti parjeni deli tvorijo aktivno lečo, ki je sposobna ustvariti krožni, naraščajoči udarni val, usmerjen proti središču. Notranja stran hitro detonirajočega eksploziva skoraj prekriva aluminijasto kroglo, da se poveča konvergentni učinek.
Leče so bile natančno ulite, zato je bilo treba eksploziv pred uporabo stopiti. Glavni hitro detonirajoči eksploziv je bila »sestava B«, mešanica 60 % heksagena (RDX) - zelo hitro detonirajočega, a slabo talilnega eksploziva, 39 % TNT (TNT) - močno eksplozivnega in lahko talilnega eksploziva in 1 % vosek. "Počasen" eksploziv je bil baratol - mešanica TNT in barijevega nitrata (delež TNT je običajno 25-33%) z 1% voska kot veziva.
Sestava in gostota leč sta bili natančno nadzorovani in ostali konstantni. Sistem leč je bil nastavljen na zelo tesno toleranco, tako da so se deli prilegali v manj kot 1 mm, da bi se izognili nepravilnostim v udarnem valu, vendar je bila poravnava površine leč celo pomembnejša od prileganja skupaj.
Da bi dosegli zelo natančno časovno razporeditev detonatorja, standardni detonatorji niso imeli kombinacije primarnih/sekundarnih eksplozivov in so imeli električno ogrevane vodnike. Ti prevodniki so kosi tanke žice, ki takoj izhlapijo zaradi toka, prejetega iz močnega kondenzatorja. Eksplozivni material detonatorja je detoniran. Praznjenje kondenzatorske baterije in izhlapevanje žice za vse detonatorje se lahko izvede skoraj sočasno - razlika je +/- 10 nanosekund. Slaba stran takega sistema je potreba po velikih baterijah, visokonapetostnem napajalniku in močni bateriji kondenzatorjev (imenovani X-enota, ki tehta približno 200 kg), zasnovani za hkratni izstrelitev 32 detonatorjev.
Končana eksplozivna lupina je nameščena v ohišje iz duraluminija. Struktura karoserije je bila sestavljena iz osrednjega pasu, sestavljenega iz 5 obdelanih odlitkov iz duraluminija, ter zgornje in spodnje hemisfere, ki tvorita popolno lupino.

Končna faza montaže.
Končna zasnova bombe vključuje poseben "pokrov", skozi katerega so na koncu nameščeni cepljivi materiali. Naboj je mogoče izdelati v celoti, z izjemo plutonijevega vložka z iniciatorjem. Iz varnostnih razlogov je sestavljanje končano tik pred praktično uporabo. Hemisfera iz duraluminija se odstrani skupaj z eno od eksplozivnih leč. Nevtronski iniciator je nameščen med plutonijevi hemisferi in nameščen v 40-kilogramsko uranovo jeklenko, nato pa je ta celotna struktura nameščena v uranov reflektor. Leča se vrne na svoje mesto, detonator je povezan z njo, pokrov pa se privije na svoje mesto na vrhu.
Fat Man je predstavljal resno tveganje, ko je bil odpremljen in shranjen pripravljen za uporabo, čeprav je bil tudi v najslabšem primeru še vedno manj nevaren kot Little Boy. Kritična masa sredice z uranovim reflektorjem je 7,5 kg plutonija za delta fazo in le 5,5 kg za alfa fazo. Kakršna koli nenamerna detonacija eksplozivne lupine bi lahko povzročila stiskanje 6,2-kilogramskega jedra Fat Mana v superkritično alfa fazo. Ocenjena moč eksplozije zaradi takšne nepooblaščene detonacije naboja bi se gibala med desetinami ton (grobo rečeno. reda velikosti več kot eksplozivni naboj v bombi) do nekaj sto ton ekvivalenta TNT, vendar je glavna nevarnost v pretoku prodornega sevanja med eksplozijo, gama žarki in nevtroni lahko povzročijo smrt ali resno bolezen veliko dlje kot. območje širjenja udarnega vala bo tako majhna jedrska eksplozija 20 ton povzročila smrtno dozo sevanja 640 remov na razdalji 250 m.
Iz varnostnih razlogov transport Fat Mana nikoli ni bil izveden v popolnoma sestavljeni obliki, bombe so bile dokončane neposredno pred uporabo, je ta postopek zahteval vsaj nekaj dni (upoštevajoč vmesne preglede). . Sestavljena bomba ni mogla delovati dlje časa zaradi nizkih baterij X-Unit.
Oblika aktivne plutonijeve bombe je sestavljena predvsem iz eksperimentalne zasnove pripomočka, zapakirane v jekleno lupino. Dve polovici jeklenega elipsoida sta pritrjeni na povoj eksplozivnega sistema skupaj z enoto X, baterijami, varovalkami in sprožilno elektroniko. sprednjo stran lupine.
Tako kot v Malčku je tudi v Fat Manu višinska varovalka Atchisov radarski daljinomer (Archies – njegove antene lahko vidite ob strani na fotografijah Malčka). Ko naboj doseže zahtevano višino nad tlemi (nastavljeno na 1850+-100 čevljev), da signal za detonacijo. Poleg tega je bomba opremljena tudi z barometričnim senzorjem, ki preprečuje eksplozijo nad 7000 čevljev.

Bojna uporaba plutonijeve bombe.
Na otoku je potekala končna montaža Debeluha. Tinian.
26. julija 1945 je bilo plutonijevo jedro z iniciatorjem poslano na letalu C-54 iz letalske baze Kirtland v Tinian.
28. julija jedro prispe na otok. Na ta dan trije B-29 odplujejo iz Kirtlanda proti Tinianu s tremi vnaprej sestavljenimi Fat Mani.
2. avgust - B-29 prispe. Za datum bombardiranja je določen 11. avgust, tarča je bil arzenal v Kokuri. Nejedrski del prve bombe je bil pripravljen do 5. avgusta.
7. avgusta prihaja napoved o vremenskih razmerah, ki niso ugodne za let 11., datum leta se premakne na 10. avgust, nato na 9. avgust. Zaradi datumskega premika potekajo pospešena dela za montažo naboja.
8. zjutraj je sestavljanje Debelega zaključeno in do 22:00 je naložen v B-29 "Block's Car."
9. avgust:
03:47 Letalo vzleti iz Tiniana, cilj je identificiran kot Kokur Arsenal. Pilot - Charles Sweeney.
10:44 Čas za približevanje Kokuri, vendar je cilj neviden v pogojih slabe vidljivosti. Protiletalski artilerijski ogenj in pojav japonskih lovcev nas prisilita, da prekinemo iskanje in se obrnemo proti rezervnemu cilju - Nagasakiju.
Nad mestom je bila plast oblakov - podobno kot nad Kokuro je bilo goriva le še za en prelet, zato je bila bomba odvržena v prvo primerno vrzel v oblakih nekaj milj od označenega cilja.
11:02 Eksplozija na nadmorski višini 503 m blizu mestne meje, moč po meritvah leta 1987 je 21 kt. Kljub temu, da se je eksplozija zgodila na meji naseljenega dela mesta, je število žrtev preseglo 70.000 ljudi. Uničeni so bili tudi Mitsubishijevi obrati za proizvodnjo orožja.

(danes Demokratična republika Kongo), v Kanadi (Great Bear Lake) in v ZDA (Colorado).

Za razliko od večine sodobnih bomb, ki so narejene na principu implozije, je bila "Baby" bomba topovskega tipa. Topovsko bombo je enostavno izračunati in izdelati ter praktično ne pokvari (zato so natančne risbe bombe še vedno tajne). Slaba stran te zasnove je nizka učinkovitost.

Uporabljena je bila mornariška topovska cev kalibra 16,4 cm, skrajšana na 1,8 m, uranova »tarča« pa je bil valj s premerom 100 mm in maso 25,6 kg, na katerega se je ob izstrelitvi ustrelila valjasta »krogla« s težo 38 kg. 5 kg z ustreznim notranjim kanalom. Ta "intuitivno nerazumljiva" zasnova je bila narejena za zmanjšanje nevtronskega ozadja tarče: v njej ni bilo blizu, ampak na razdalji 59 mm od nevtronskega reflektorja ("tamper"). Posledično se je tveganje prezgodnjega začetka verižne fisijske reakcije z nepopolnim sproščanjem energije zmanjšalo na nekaj odstotkov.

Kljub nizki učinkovitosti je bila radioaktivna kontaminacija zaradi eksplozije majhna, saj je eksplozija potekala 600 m nad tlemi, sam nezreagirani uran pa je v primerjavi s produkti jedrske reakcije šibko radioaktiven.

Varovalke so bile v to bombo vstavljene neposredno na letalu, v bombnem prostoru, 15 minut po vzletu, da bi zmanjšali nevarnost posledic neuspešnega vzleta. Hkrati je obstajala možnost, da deluje nenormalno.

Pomembnost najpomembnejše naloge, dodeljene posebnemu laboratoriju atomskega jedra (od marca 1943 - Laboratorij št. 2), je izvedba potrebnih raziskav in predložitev poročila Državnemu obrambnemu odboru " o možnosti izdelave uranove bombe ali uranovega goriva", - je bilo okrepljeno z dejstvom, da obveščevalne informacije iz leta 1941, ki jih je, kot je navedeno zgoraj, opazil I. V. Kurchatov v svojem pismu z dne 27. novembra 1942, naslovljenem na V. M. Molotova, niso vsebovale izčrpnega odgovora na vprašanje o možnost izdelave uranove bombe.

Hkrati pa eksperimentalne in teoretične podlage, s katerimi je Laboratorij št. 2 razpolagal v prvi polovici leta 1943 in tudi v razmeroma dolgem kasnejšem obdobju, niso zadostovale za dokončen odgovor na vprašanje o realnosti atomsko bombo le na podlagi lastnih eksperimentalnih in teoretičnih podatkov.

Vendar so še naprej prihajali obveščevalni materiali, vključno z materiali, ki jih je I.V. Do pomladi 1943 Kurčatov v bistvu ni dvomil o izvedljivosti bombe iz urana-235. Iz že omenjenega pregleda I.V. Kurchatov z dne 4. julija 1943 v odgovoru na seznam ameriških del o problemu urana, prejetih po obveščevalnih kanalih, izhaja, da ga ni več skrbela sama možnost ustvarjanja bombe iz urana-235, ampak je bil zaskrbljen zaradi protislovja v podatkih različnih del o cepitvenih presekih urana-235 v območju srednjih nevtronskih energij. I.V. Kurchatov je opozoril: " To vprašanje je bistvenega pomena, saj sta velikost bombe iz urana-235 in sama možnost izdelave kotla iz kovinskega urana izjemno močno odvisni od velikosti preseka cepitve v tem območju." .

Spomladi 1943 je I.V. Tudi nova možnost izdelave atomske bombe je Kurčatovu postala popolnoma jasna. V sporočilu, naslovljenem na M.G. Pervukhin z dne 22. marca 1943 I.V. Kurchatov je zapisal: " Materiali, ki sem jih pred kratkim pregledoval ... kažejo, da bi morda lahko produkte zgorevanja jedrskega goriva v "uranovem kotlu" uporabili namesto urana-235 kot material za bombo. S temi pripombami v mislih sem natančno preučil najnovejše delo, ki so ga Američani objavili v "Physical Review" o transuranovih elementih (eka-renij-239 in eka-osmij-239) in lahko postavil novo smer pri reševanju cel problem z uranom..."Razprava je potekala o uporabi plutonija-239 v atomski bombi, ki jo je I.V. Kurchatov v svojem pismu imenoval eka-okmij-239. Zapisal je, da " obeti za to smer so izjemno razburljivi". "Po vseh trenutno obstoječih teoretičnih konceptih naj bi vstop nevtrona v jedro eka-osmija spremljala velika sprostitev energije in emisija sekundarnih nevtronov, tako da bi moral biti v tem pogledu enakovreden uranu-235." "Če ima eka-osmij v resnici enake lastnosti kot uran-235, ga je mogoče izolirati iz "uranovega kotla" in uporabiti kot material za eka-oktijevo bombo. Bomba bo torej izdelana iz »nezemeljskega« materiala, ki je izginil na našem planetu.

Kot lahko vidite, s to rešitvijo celotnega problema ni potrebe po ločevanju izotopov urana, ki se uporablja kot gorivo in kot eksploziv.".

"Izjemne možnosti, o katerih smo govorili zgoraj, so seveda večinoma neutemeljene. Njihova izvedba je mogoča le, če bo eka-okmij-239 resnično analogen uranu-235 in če bo poleg tega tako ali drugače mogoče zagnati "uranov kotel". Poleg tega razvita shema zahteva kvantitativno obračunavanje vseh podrobnosti postopka. To zadnje delo bo kmalu zaupano prof. JAZ BI. Zeldovich".

Z napovedjo zagona prvega uranovega kotla v ZDA, ki odpira možnosti za obsežno uporabo atomske energije in proizvodnjo novega cepljivega materiala z atomsko maso 239, primernega za izdelavo atomskega bomba (kar pomeni jedrski reaktor E. Fermija, izstreljen 2. decembra 1942 v Chicagu), I.V. Kurchatov je bil obveščen julija 1943 kmalu po prejemu tega sporočila po obveščevalnih kanalih.

Izredno visoko je ocenil zagon prvega jedrskega reaktorja na svetu v ZDA. V odgovoru na omenjeno obveščevalno gradivo je zapisal: " Obravnavano gradivo vsebuje izjemno pomembno sporočilo o zagonu prvega uran-grafitnega kotla v Ameriki – sporočilo o dogodku, ki ga ni mogoče oceniti drugače kot velik pojav v svetovni znanosti in tehnologiji."

Naj opozorimo, da je v že omenjenem poročilu angleškega »komiteja MAUD«, ki je prispel v ZSSR po obveščevalnih kanalih leta 1941 in s katerim je konec leta 1942 I.V. Kurčatov je bilo rečeno, da bi imel element z maso 239 zelo verjetno cepitvene lastnosti, podobne tistim urana-235, in bi ga lahko uporabili kot eksploziv v atomski bombi (glej).

Med ustvarjanjem atomskega orožja v okviru projekta Manhattan so hkrati potekala dela na ustvarjanju dveh jedrskih bomb - urana in plutonija.

Po testiranju prvega jedrskega naboja "Gadget" (prototip plutonijeve bombe "FatMan" - naslednji, pripravljen za uporabo, je bil uranov "LittleBoy". Bil je tisti, ki je bil odvržen na Hirošimo 6. avgusta 1945. Proizvodnja drugega "Baby" bi zahtevala mesece kopičenja urana, zato je bila druga odvržena bomba "Fat Man", sestavljena na otoku Tinian malo pred uporabo. .

Začetno sestavljanje Fat Mana je potekalo v mornariški bazi Saltwells v Kaliforniji. Končno sestavljanje in namestitev plutonijevega jedra je bilo izvedeno na otoku Tinian v Tihem oceanu, kjer je bila dokončana izgradnja prvega bojnega plutonijevega naboja. Drugi napad po Hirošimi naj bi bil prvotno izveden na Kokuro, nekaj dni po prvem napadu, vendar je bilo mesto Nagasaki bombardirano.

Uranova atomska bomba Little Boy.
Uranov naboj v bombi je sestavljen iz dveh delov: tarče in izstrelka. Projektil s premerom 10 centimetrov in dolžino 16 centimetrov je sklop šestih uranovih obročev. Vsebuje približno 25,6 kg - 40% vsega urana. Obroči v izstrelku so podprti z diskom iz volframovega karbida in jeklenimi ploščami ter so v jeklenem ohišju. Tarča ima maso 38,46 kg in je izdelana v obliki votlega valja s premerom 16 cm in dolžino 16 cm. Strukturno je izdelana v obliki dveh ločenih polovic. Tarča je nameščena v ohišju, ki služi kot reflektor nevtronov. Načeloma količina urana, uporabljena v bombi, daje kritično maso tudi brez reflektorja, vendar njegova prisotnost, kot tudi izdelava izstrelka iz bolj obogatenega urana (89% U-235) od tarče (~80% U-235), omogoča povečanje moči polnjenja.

Proces bogatenja urana je potekal v 3 fazah. Sprva je bila naravna ruda (0,72 % urana) obogatena na 1-1,5 % v napravi za toplotno difuzijo. Sledila je plinsko difuzijska naprava in zadnja stopnja - elektromagnetni separator, ki je že izvajal ločevanje izotopov urana. Za izdelavo "otroka" je bilo potrebnih 64 kg obogatenega urana, kar je ~2,5 kritične mase. Do poletja 1945 se je nabralo približno 50 kg 89% U-235 in 14 kg 50% U-235. Posledično je bila skupna koncentracija ~80 %. Če te kazalnike primerjamo s plutonijevim jedrom, v katerem je bila masa Pu-239 le ~6 kilogramov, ki vsebuje približno 5 kritičnih mas, postane vidna glavna pomanjkljivost uranovega projekta: težko je zagotoviti visoko superkritičnost cepljive snovi. , kar ima za posledico nizko učinkovitost orožja.

Za preprečitev nenamerne verižne reakcije ima tarča borov čep, izstrelek pa je vgrajen v borov tulec. Bor je dober absorber nevtronov, kar povečuje varnost med prevozom in skladiščenjem napolnjenega streliva. Ko izstrelek doseže tarčo, se njegovo ohišje odleti in iz nje izvrže čep v tarči.

Sestavljena bomba je sestavljena iz telesa iz volframovega karbida (ki služi kot nevtronski reflektor), obdanega z jeklenim plaščem s premerom približno 60 cm. Telo iz karbida je nameščeno v luknji izvrtan v plašč, v katerega je nameščena tarča. Dno te luknje lahko vsebuje enega ali več berilij-polonijevih iniciatorjev. Cev, vzdolž katere se premika uranov izstrelek, je trdno privit na jekleno telo tarče; izposojen je bil iz 75-mm protiletalske puške in izvrtan za prileganje izstrelku na 100 mm. Dolžina cevi je približno 2 m, teža - 450 kg, zaklep - 34 kg. Kot pogonsko gorivo se uporablja brezdimni smodnik. Hitrost izstrelka v cevi doseže približno 300 m/s; potrebna je sila najmanj 300 kN.

Little Boy je bila izjemno nevarna bomba za shranjevanje in transport. Detonacija, tudi naključna, pogonskega goriva (ki poganja projektil) povzroči jedrsko eksplozijo. Zato se je letalski opazovalec in specialist za orožje S. Parsons odločil, da bo smodnik v bombo vložil šele po vzletu. Vendar pa se lahko projektil ob dovolj močnem udarcu pri padcu začne premikati brez pomoči smodnika, kar lahko povzroči eksplozijo od več ton do polne moči. Mali deček je nevaren tudi, če pride v vodo. Uran v notranjosti - skupaj več kritičnih mas - je ločen z zrakom. Če voda pride v notranjost, lahko igra vlogo posrednika, kar povzroči verižno reakcijo. To bo povzročilo hitro taljenje ali majhno eksplozijo, ki bo sproščala velike količine radioaktivnega materiala.

Sestavljanje in uporaba Malčka.
Prve komponente izstrelka so bile dokončane v Los Alamosu 15. junija 1945, v celoti pa so bile izdelane do 3. julija.

14. julija so Little Boy in uranov tulec zanj naložili na ladjo Indianapolis in 16. julija odpluli proti otoku. Tinian, Marianski otoki. Ladja je na otok prispela 26. julija.

24. julija je bila bombna tarča dokončana, 26. julija pa so komponente odletele na treh letalih C-54 iz Albuquerqueja in prispele v Tinian 28. julija.

31. julija sta bila v bombo nameščena tarča in projektil. Jedrski napad je bil predviden za naslednji dan, 1. avgusta, vendar je bil zaradi bližajočega se tajfuna operacija prestavljena za 5 dni.

6. avgust:
00:00 Zadnje srečanje, cilj - Hirošima. Pilot - Tibbets, 2. pilot - Lewis.
02:45 Bombarder vzleti.
07:30 Bomba je popolnoma pripravljena za odvržek.
08:50 Letalo leti nad japonskim otokom Shikoku.
09:16:02 Mali deček eksplodira na višini 580 m Moč eksplozije: 12-18 kt, po kasnejših ocenah - 15 kt (+/- 20%).

Pri taki moči eksplozije je višina, na kateri je detonirala, optimalna za pritisk udarnega vala 12 psi (funtov na kvadratni palec), tj. da povečate površino, ki je izpostavljena 12 psi ali več. Za uničenje mestnih zgradb je dovolj pritisk 5 psi, kar ustreza višini ~860, zato bi lahko pri takšni višini žrtve in razdejanje še večji. Zaradi negotovosti pri določanju moči in velikega števila razlogov, ki bi lahko povzročili zmanjšanje moči poka, je bila višina izbrana zmerno nizka, kot v primeru majhnega naboja. Višina 580 m je optimalna za eksplozijo 5 kt.

Plutonijeva atomska bomba Fat Man.

Jedro bombe je niz krogel, ugnezdenih druga v drugo. Tukaj so navedene v vrstnem redu gnezdenja, podane so dimenzije za zunanje polmere krogel:

* eksplozivna granata - 65 cm,
* "potiskač"/absorber nevtronov - 23 cm,
* ohišje iz urana/nevtronski reflektor - 11,5 cm,
* plutonijevo jedro - 4,5 cm,
* berilij-polonijev nevtronski iniciator - 1 cm.

Nevtronski iniciator.
Prva stopnja, nevtronski iniciator, imenovan tudi Urchin, je berilijeva sferična lupina s premerom 2 cm in debelino 0,6 cm. V njej je berilijeva obloga s premerom 0,8 cm je približno 7 gramov. Na notranji površini lupine je narejenih 15 klinastih rež z globino 2,09 mm. Sama lupina je pridobljena z vročim stiskanjem v atmosferi karbonilnega niklja, njena površina in notranja krogla sta prekriti s plastjo niklja in zlata. 50 curijev polonija-210 (11 mg) se je odložilo na notranjo kroglo in razpoke v lupini. Plasti zlata in niklja ščitijo berilij pred alfa delci, ki jih oddaja polonij ali plutonij, ki obdaja iniciator. Iniciator je nameščen na nosilcu znotraj votline s premerom 2,5 cm v plutonijevem jedru.

Urchin se aktivira, ko udarni val doseže središče naboja. Ko udarni val doseže stene notranje votline v plutoniju, udarni val iz izhlapenega plutonija deluje na iniciator, zdrobi reže s polonijem in ustvari Munroejev učinek - močne curke materiala, ki hitro premešajo polonij in berilij iz zunanje in notranje sfere. Alfa delce, ki jih oddaja Po-210, absorbirajo atomi berilija, ti pa oddajajo nevtrone.

Plutonijev naboj.
Devet centimetrska krogla z 2,5 cm veliko votlino v sredini za nevtronski iniciator. To obliko naboja je predlagal Robert Christy za zmanjšanje asimetrije in nestabilnosti med implozijo.

Plutonij v sredici se stabilizira v delta fazi z nizko gostoto (gostota 15,9) tako, da se zlije s 3% galija glede na količino snovi (0,8% po masi). Prednosti uporabe delta faze pred gostejšo alfa fazo (gostota 19,2) so v tem, da je delta faza voljna in upogljiva, medtem ko je alfa faza krhka in krhka, poleg tega pa stabilizacija plutonija v delta fazi omogoča izogibanje krčenju med ohlajanje in deformacija obdelovanca po litju ali vročem obdelovanju. Morda se zdi, da je uporaba materiala z nižjo gostoto za sredico lahko neugodna, saj je uporaba gostejšega materiala boljša zaradi večje učinkovitosti in zmanjšanja potrebne količine plutonija, vendar se izkaže, da to ni povsem res. Delta-stabiliziran plutonij preide v alfa fazo pri relativno nizkih tlakih na desettisoče atmosfer. Tlak več milijonov atmosfer, ki nastane med implozijsko eksplozijo, naredi ta prehod skupaj z drugimi pojavi, ki nastanejo med takim stiskanjem. Tako je pri plutoniju v delta fazi večje povečanje gostote in večji vnos reaktivnosti, kot bi se to zgodilo v primeru goste alfa faze.

Jedro je sestavljeno iz dveh hemisfer, verjetno prvotno ulitih v surovce in nato obdelanih z vročim stiskanjem v atmosferi karbonilnega niklja. Ker je plutonij zelo reaktivna kovina in je poleg tega nevarna za življenje, je vsaka hemisfera prevlečena s plastjo niklja (ali srebra, kot poročajo za jedro Gadget-a). z nikljem (ali srebrom) je povzročil nastanek lupin v kovini in njeno neprimernost za uporabo v jedru. Previdno brušenje in plastenje zlatih plasti je obnovilo napake, ki so jih ustvarile poloble. Vsekakor pa je bila tanka zlata plast (debela približno 0,1 mm) med hemisferama nujen del zasnove, ki je služila za preprečevanje prezgodnjega prodiranja curkov udarnih valov med hemisferama, ki bi lahko predčasno aktivirali nevtronski iniciator.

Ohišje iz urana/nevtronski reflektor.
Plutonijev naboj je obdan z ohišjem iz naravnega urana, ki tehta 120 kg in ima premer 23 cm. To ohišje tvori sedemcentimetrsko plast okoli plutonija. Debelina urana je določena z nalogo ohranjanja nevtronov, zato je za zaviranje nevtronov dovolj večcentimetrska plast. Debelejše telo (ki presega 10 cm debeline) dodatno zagotavlja znatno ohranitev nevtronov za celotno strukturo, vendar pa učinek "začasne absorpcije", ki je neločljivo povezan s hitrimi, eksponentno razvijajočimi se verižnimi reakcijami, zmanjša prednosti uporabe debelejšega reflektorja.

Približno 20 % energije bombe se sprosti zaradi hitre cepitve uranovega ohišja. Jedro in telo skupaj tvorita minimalno subkritični sistem. Ko implozijska eksplozija stisne sklop na 2,5-kratno normalno gostoto, začne jedro vsebovati približno štiri do pet kritičnih mas.

"Potiskač"/absorber nevtronov.
Plast aluminija, ki obdaja uran, debela 11,5 cm, tehta 120 kg. Glavni namen te krogle, imenovane "potiskalec", je zmanjšati učinek Taylorjevega vala, hitrega zmanjšanja tlaka, ki se pojavi za detonacijsko fronto. Ta val se med implozijo povečuje, kar povzroča vse hitrejši padec tlaka, ko se detonacijska fronta konvergira v eno točko. Delni odboj udarnega vala, ki se pojavi na vmesniku eksploziv (sestava "B")/aluminij (zaradi razlike v gostotah: 1,65/2,71), pošlje sekundarno fronto nazaj v eksploziv in zatre Taylorjev val. To poveča pritisk oddanega vala, kar poveča stiskanje v središču jedra.

Aluminijev »potiskač« vsebuje tudi delež bora. Ker je sam bor krhka nekovinska snov in ga je težko uporabiti, je verjetno, da je vsebovan v obliki aluminijeve zlitine, ki jo je enostavno obdelati, imenovane boraks (35–50 % bora). Čeprav je njegov skupni delež v lupini majhen, ima bor vlogo absorberja nevtronov, ki preprečuje, da bi nevtroni, ki uhajajo od tam, prišli nazaj v sklop plutonij-uran, upočasnjen v aluminiju in eksplozivih do toplotnih hitrosti.

Eksplozivna lupina in detonacijski sistem.
Eksplozivno ohišje je plast močnega eksploziva. Debela je približno 47 cm in tehta najmanj 2500 kg. Ta sistem vsebuje 32 eksplozivnih leč, od katerih jih je 20 šesterokotnih in 12 peterokotnih. Leče so med seboj povezane na nogometni način, da tvorijo sferični eksplozivni sklop s premerom približno 130 cm. Vsak ima 3 dele: dva sta izdelana iz eksploziva z visoko hitrostjo detonacije, eden od njih je izdelan iz nizke hitrosti detonacije. Zunanji del hitro detonirajočega eksploziva ima stožčasto vdolbino, napolnjeno z eksplozivom z nizko hitrostjo detonacije. Ti parjeni deli tvorijo aktivno lečo, ki je sposobna ustvariti krožni, naraščajoči udarni val, usmerjen proti središču. Notranja stran hitro detonirajočega eksploziva skoraj prekriva aluminijasto kroglo, da se poveča konvergentni učinek.

Leče so bile natančno ulite, zato je bilo treba eksploziv pred uporabo stopiti. Glavni hitro detonirajoči eksploziv je bila »sestava B«, mešanica 60 % heksagena (RDX) - zelo hitro detonirajočega, a slabo talilnega eksploziva, 39 % TNT (TNT) - močno eksplozivnega in lahko talilnega eksploziva in 1 % vosek. "Počasen" eksploziv je bil baratol - mešanica TNT in barijevega nitrata (delež TNT je običajno 25-33%) z 1% voska kot veziva.

Sestava in gostota leč sta bili natančno nadzorovani in ostali konstantni. Sistem leč je bil nastavljen na zelo tesno toleranco, tako da so se deli prilegali v manj kot 1 mm, da bi se izognili nepravilnostim v udarnem valu, vendar je bila poravnava površine leč celo pomembnejša od prileganja skupaj.

Da bi dosegli zelo natančno časovno razporeditev detonatorja, standardni detonatorji niso imeli kombinacije primarnih/sekundarnih eksplozivov in so imeli električno ogrevane vodnike. Ti prevodniki so kosi tanke žice, ki takoj izhlapijo zaradi toka, prejetega iz močnega kondenzatorja. Eksplozivni material detonatorja je detoniran. Praznjenje kondenzatorske baterije in izhlapevanje žice za vse detonatorje se lahko izvede skoraj sočasno - razlika je +/- 10 nanosekund. Slaba stran takega sistema je potreba po velikih baterijah, visokonapetostnem napajalniku in močni bateriji kondenzatorjev (imenovani X-enota, ki tehta približno 200 kg), zasnovani za hkratni izstrelitev 32 detonatorjev.

Končana eksplozivna lupina je nameščena v ohišje iz duraluminija. Struktura karoserije je bila sestavljena iz osrednjega pasu, sestavljenega iz 5 obdelanih odlitkov iz duraluminija, ter zgornje in spodnje hemisfere, ki tvorita popolno lupino.

Končna faza montaže.
Končna zasnova bombe vključuje poseben "pokrov", skozi katerega so na koncu nameščeni cepljivi materiali. Naboj je mogoče izdelati v celoti, z izjemo plutonijevega vložka z iniciatorjem. Iz varnostnih razlogov je sestavljanje končano tik pred praktično uporabo. Hemisfera iz duraluminija se odstrani skupaj z eno od eksplozivnih leč. Nevtronski iniciator je nameščen med plutonijevi hemisferi in nameščen v 40-kilogramsko uranovo jeklenko, nato pa je ta celotna struktura nameščena v uranov reflektor. Leča se vrne na svoje mesto, detonator je povezan z njo, pokrov pa se privije na svoje mesto na vrhu.

Fat Man je predstavljal resno tveganje, ko je bil odpremljen in shranjen pripravljen za uporabo, čeprav je bil tudi v najslabšem primeru še vedno manj nevaren kot Little Boy. Kritična masa sredice z uranovim reflektorjem je 7,5 kg plutonija za delta fazo in le 5,5 kg za alfa fazo. Kakršna koli nenamerna detonacija eksplozivne lupine bi lahko povzročila stiskanje 6,2-kilogramskega jedra Fat Mana v superkritično alfa fazo. Ocenjena moč eksplozije zaradi takšne nepooblaščene detonacije naboja bi se gibala med desetinami ton (grobo rečeno. reda velikosti več kot eksplozivni naboj v bombi) do nekaj sto ton ekvivalenta TNT, vendar je glavna nevarnost v pretoku prodornega sevanja med eksplozijo, gama žarki in nevtroni lahko povzročijo smrt ali resno bolezen veliko dlje kot. območje širjenja udarnega vala bo tako majhna jedrska eksplozija 20 ton povzročila smrtno dozo sevanja 640 remov na razdalji 250 m.

Iz varnostnih razlogov transport Fat Mana nikoli ni bil izveden v popolnoma sestavljeni obliki, bombe so bile dokončane neposredno pred uporabo, je ta postopek zahteval vsaj nekaj dni (upoštevajoč vmesne preglede). . Sestavljena bomba ni mogla delovati dlje časa zaradi nizkih baterij X-Unit.

Oblika aktivne plutonijeve bombe je sestavljena predvsem iz eksperimentalne zasnove pripomočka, zapakirane v jekleno lupino. Dve polovici jeklenega elipsoida sta pritrjeni na povoj eksplozivnega sistema skupaj z enoto X, baterijami, varovalkami in sprožilno elektroniko. sprednjo stran lupine.

Tako kot v Malčku je tudi v Fat Manu višinska varovalka Atchisov radarski daljinomer (Archies – njegove antene lahko vidite ob strani na fotografijah Malčka). Ko naboj doseže zahtevano višino nad tlemi (nastavljeno na 1850+-100 čevljev), da signal za detonacijo. Poleg tega je bomba opremljena tudi z barometričnim senzorjem, ki preprečuje eksplozijo nad 7000 čevljev.

Bojna uporaba plutonijeve bombe.
Na otoku je potekala končna montaža Debeluha. Tinian.

26. julija 1945 je bilo plutonijevo jedro z iniciatorjem poslano na letalu C-54 iz letalske baze Kirtland v Tinian.

28. julija jedro prispe na otok. Na ta dan trije B-29 odplujejo iz Kirtlanda proti Tinianu s tremi vnaprej sestavljenimi Fat Mani.

2. avgust - B-29 prispe. Za datum bombardiranja je določen 11. avgust, tarča je bil arzenal v Kokuri. Nejedrski del prve bombe je bil pripravljen do 5. avgusta.

7. avgusta prihaja napoved o vremenskih razmerah, ki niso ugodne za let 11., datum leta se premakne na 10. avgust, nato na 9. avgust. Zaradi datumskega premika potekajo pospešena dela za montažo naboja.

8. zjutraj je sestavljanje Debelega zaključeno in do 22:00 je naložen v B-29 "Block's Car."

9. avgust:
03:47 Letalo vzleti iz Tiniana, cilj je identificiran kot Kokur Arsenal. Pilot - Charles Sweeney.
10:44 Čas za približevanje Kokuri, vendar je cilj neviden v pogojih slabe vidljivosti. Protiletalski artilerijski ogenj in pojav japonskih lovcev nas prisilita, da prekinemo iskanje in se obrnemo proti rezervnemu cilju - Nagasakiju.
Nad mestom je bila plast oblakov - podobno kot nad Kokuro je bilo goriva le še za en prelet, zato je bila bomba odvržena v prvo primerno vrzel v oblakih nekaj milj od označenega cilja.
11:02 Eksplozija na nadmorski višini 503 m blizu mestne meje, moč po meritvah leta 1987 je 21 kt. Kljub temu, da se je eksplozija zgodila na meji naseljenega dela mesta, je število žrtev preseglo 70.000 ljudi. Uničeni so bili tudi Mitsubishijevi obrati za proizvodnjo orožja.

Kot se pogosto žal zgodi, se koristni izumi pogosto uporabljajo v slabe namene. To velja tudi za uporabo verižne fisijske reakcije. Boj proti širjenju jedrskega orožja poteka z različnimi stopnjami uspeha. Največjo nevarnost predstavlja posedovanje atomskega orožja s strani avtoritarnih režimov in predvsem teroristov. Poglejmo si različne vrste atomskih bomb in nevarnosti, povezane z možnostjo širjenja tehnologij njihove proizvodnje.

Bomba z uranom-235

Atomsko bombo je mogoče izdelati iz U-235, Pu-239 in U-233. Od tega v naravi obstaja samo U-235. Pu-239 in U-233 nastajata z obstreljevanjem drugih izotopov z nevtroni.
Najlažji način za izdelavo atomske bombe je iz urana. Za to ne potrebujete reaktorja. Na primer, za to morate imeti potrebno količino naravnega urana in plinskih centrifug. Uran pretvorimo v plinasto stanje – uranov heksafluorid UF 6, ki ga spustimo skozi centrifuge. Stopnja ločevanja je določena s številom posameznih centrifug, sestavljenih v kaskado. "Malo" potrpljenja in imate orožni uran (>90% 235 U). Za izdelavo uranove bombe brez plutonija je potrebnih približno 15-20 kg orožnega urana.
Čeprav je postopek bogatenja urana načeloma znan, so za pridobitev zadostnih količin visoko obogatenega urana potrebne surovine, znanja, infrastruktura in velike količine energije. Zato je zelo malo verjetno, da bi teroristi pridobili visoko obogateni uran. Najverjetneje ga bodo preprosto poskušali ukrasti. Zato morajo države z zalogami urana, primernega za orožje, strogo nadzorovati svoja skladišča. Proizvodnja orožnega urana je izvedljiva le za države z dovolj razvito tehnološko bazo.
Poleg tega mora biti bomba izdelana iz obogatenega urana. Najbolj primitivna atomska bomba − ti bomba tipa "top".

Bomba tipa "Cannon".
Bomba tipa "top" je preprosta. V njej je en "kos" U-235 izstreljen z ustreznim nabojem v drugi "kos", rezultat pa je neučinkovita uporaba cepljivega materiala Visoko obogateni uran v tej vrsti bombe je bil odvržen na Hirošimo. Je prevelika za raketo, vendar bi jo bilo mogoče dostaviti na primer z letalom.

Bomba s plutonijem-239

Plutonij je stranski produkt vseh reaktorjev. Da pa se lahko uporabi kot cepljivi material, mora biti kemično prečiščen iz ostankov visokoradioaktivnih odpadkov. To je drag in nevaren postopek, ki zahteva posebno znanje in opremo.

Plutonij nastane v jedrskem reaktorju, ko je U-238 bombardiran s toplotnimi nevtroni

Pu-239 se uporablja za proizvodnjo jedrskega orožja. Prerezi cepitve in sipanja ter število nevtronov med cepitvijo so pri Pu-239 večji kot pri U-235 in imajo zato nižjo kritično maso, tj. Za izvedbo samozadostne cepitvene reakcije plutonij potrebuje manj kot uran. Plutonijeva atomska bomba običajno zahteva 3-5 kg ​​Pu-239.
Zaradi svoje relativno kratke razpolovne dobe (v primerjavi z U-235) se Pu-239 zaradi sevanja, ki ga oddaja, opazno segreje. Sproščanje toplote Pu-239 je 1,92 W/kg. Tako se dobro izoliran kos plutonija v dveh urah segreje s sobne temperature na 100 o. To seveda povzroča težave pri načrtovanju bombe. Fizikalne lastnosti plutonija so takšne, da pištolska bomba ne more zliti dveh kosov plutonija skupaj dovolj hitro, da bi tvorila kritično maso. Za plutonij je treba uporabiti bolj zapleteno shemo.

Implozijska bomba
V središču implozijske bombe je plutonij, visoko obogateni uran ali mešanica obeh. Eksplozija, usmerjena navznoter v plutonijevo jedro, se izvede s pomočjo sistema posebnih leč, ki delujejo sočasno. Plutonij je stisnjen močno in enakomerno. Masa postane kritična. Vendar preprosto stiskanje plutonija na kritično maso ne zagotavlja začetka verižne reakcije. To zahteva nevtrone iz vira nevtronov, ki se nahaja v središču naprave in hkrati s kompresijo obseva plutonij.
Plutonij, ekstrahiran iz obsevanega goriva in ponovno uporabljen v reaktorju, postaja vse manj primeren za proizvodnjo orožja zaradi povečanja deleža Pu-238, Pu-240 in Pu-242.
Glavna škodljiva nečistoča za orožni plutonij je Pu-240 zaradi visoke stopnje spontane cepitve. Je 30.000-krat večji od Pu-239. Samo 1 % Pu-240 v mešanici proizvede toliko nevtronov, da je v implozijskem sistemu možna eksplozija. Prisotnost slednjega v velikih deležih bistveno oteži nalogo oblikovanja zanesljive bojne glave z določenimi lastnostmi (nazivna moč, varnost pri dolgotrajnem skladiščenju itd.)
Za orožni plutonij je značilna zelo visoka (več kot 90 %) vsebnost cepljivega izotopa 239 Pu in nizka vsebnost izotopa 240 Pu (do ~5 %).
„Civilni“ plutonij, sproščen med predelavo (predelavo) izrabljenega goriva iz jedrskih reaktorjev jedrskih elektrarn in za katerega je značilno povprečno razmerje vsebnosti izotopov 239 (60 %) in 240 (40 %). Uporaba "civilnega" plutonija za izdelavo jedrskih bojnih glav je načeloma možna.

Bomba z uranom-233

V državah, kjer je malo urana, a veliko torija (na primer Indija), je zanimivo pridobivanje cepljivega izotopa U-233 z uporabo verige reakcij:

Kot eksploziven material je 233 U skoraj tako učinkovit kot 239 Pu. Situacijo pri vojaški uporabi 233 U otežuje nečistoča 232 U, katere hčerinski produkti so močni viri gama, kar otežuje delo z njo.
Kot rezultat reakcije nastane 232 U.