В проекте «Манхэттен» они изначально планировали использовать плутоний для своей бомбы пушечного типа и дали этой конструкции название «Тонкий человек». Однако позже было установлено, что выращенный в реакторе Pu-239 неизбежно будет загрязнен Pu-240, высокая скорость спонтанного деления которого привела бы к преддетонации и взрыву бомбы пушечного типа, высвобождая лишь небольшую часть своей энергии, если только два куски плутония должны были быть собраны вместе на непрактично высоких скоростях, и для этого потребовался бы слишком длинный ствол, чтобы поместиться в любом бомбардировщике. Таким образом, они переключили разработку бомб пушечного типа на использование U-235, что в конечном итоге привело к Little Boy, в то время как использование плутония было ограничено оружием имплозивного типа и было расщепляющимся материалом, используемым в Trinity и Fat Man.
Логика непригодности Тонкого человека заключалась в том, что примеси Pu-240 имели высокую скорость спонтанного деления и производили быстрые нейтроны при каждом спонтанном делении. Эти нейтроны могут затем вызвать цепную ядерную реакцию, когда два куска плутония окажутся достаточно близко, чтобы образовать критическую массу, но до того, как они достигнут своего оптимального положения. Энергия этой реакции разорвет два куска плутония и быстро завершит реакцию до того, как расщепится более чем крошечная часть плутония, произведя шипение, которое высвободило бы количество энергии, впечатляющее по стандартам химических взрывчатых веществ, но намного ниже килотонн надлежащей детонации.
Однако U-235, материал, используемый в Little Boy, также подвергается спонтанному делению и высвобождает нейтроны, хотя и с гораздо меньшей скоростью, поскольку у него гораздо меньшая вероятность распада в результате спонтанного деления и гораздо более длительный период полураспада, вызывающий распады любого рода. гораздо реже, чем в плутонии.
Мой вопрос в том, возможно ли, чтобы Маленький Мальчик или, если уж на то пошло, любое оружие пушечного типа U-235 подвергнуться тому же типу преддетонации и взрыва, который сделал Тонкого Человека нежизнеспособным, если им не повезло иметь атом U-235? подвергнуться спонтанному делению в течение окна, когда две массы урана достаточно близки, чтобы поддерживать цепную реакцию, но не достигли конфигурации, при которой такая реакция расщепила бы наибольшее количество атомов и высвободила бы наибольшее количество энергии?
В «Маленьком мальчике» спонтанное деление внутри U-235 происходило непрерывно, но обе части U-235 были тщательно спроектированы так, чтобы быть подкритическими, то есть они были преднамеренно сформированы и расположены так далеко друг от друга, что нейтроны, испускаемые спонтанным деления вырвались из основной части U-235, не вызвав новых делений, тем самым избежав преждевременной неконтролируемой цепной реакции и взрыва. Они также были преднамеренно сформированы таким образом, чтобы, когда пушка собирала их, результирующая форма и размер массы U-235, несомненно, были бы критическими.
В этой работе разработчикам бомбы помог тот факт, что U-235, который был очищен от смеси U-235/U-238, не содержал примесей, скорость спонтанного деления которых была бы достаточно высока, чтобы исключить возможность взрыва. конструкция пистолета. Они были настолько уверены в своей конструкции, что сочли ненужным проводить контрольные испытания «Маленького мальчика», и поэтому первый раз, когда конструкция «Маленького мальчика» взорвалась, это было, когда она была сброшена на Хиросиму.
В течение заданного времени вероятность спонтанного деления для изотопного состава урана в оружии очень мала по сравнению с вероятностью спонтанного деления для изотопного состава плутония в оружии. Более медленное время сборки оружия типа U было принято из-за низкой вероятности преждевременного возгорания из-за спонтанного деления. Для оружия Pu вероятность преждевременного воспламенения слишком высока для более медленной сборки типа пушки, поэтому была разработана более быстрая конструкция имплозии с приводом от взрыва. Существует небольшая вероятность взрыва из-за предварительного воспламенения от спонтанного деления как для U, так и для Pu оружия.
Изотопный состав плутония в оружии включает Pu-240, который имеет относительно высокую скорость спонтанного деления. Присутствие Pu-240 неизбежно для Pu, полученного в ядерном реакторе. В реакторах по производству плутония в Хэнфорде и Саванна-Ривер использовалось относительно короткое время выдержки топлива перед его удалением для переработки с целью извлечения плутония во избежание чрезмерного накопления плутония-240.
В отличие от урана в высокообогащенном и, следовательно, «очищенном» оружии, плутоний, полученный в результате переработки, не обогащается, поэтому плутоний-240 не удаляется перед использованием в оружии.
Да, Маленький Мальчик действительно мог преддетонировать. Проблема не столько в самопроизвольном делении урана-235, сколько в том, что почти 20% урана по-прежнему составлял уран-238. Цитируя Кэри Саблетт из Архива ядерного оружия:
«В «Маленьком мальчике» критическая конфигурация была достигнута, когда снаряд и цель находились на расстоянии 25 см друг от друга. Скорость введения составляла 300 м/сек, что давало общее время введения 1,35 миллисекунды.
Длительное время ввода, подобное этому, накладывает серьезные ограничения на материалы, которые можно использовать в бомбе, поскольку важно поддерживать очень низкий уровень нейтронного фона. Полностью исключен плутоний, можно использовать только U-235 и U-233. Некоторые конструкции могут быть также несколько чувствительны к изотопному составу урана. Высокий процент изотопов с четными номерами может сделать вероятность предварительной детонации неприемлемо высокой.
64 кг урана в «Маленьком мальчике» имели изотопную чистоту около 80% U-235. 12,8 кг урана-238 и урана-234 производили нейтронный фон около 1 деления за 14 миллисекунд, что давало Малышу вероятность предвзрыва 8-9%. В отличие от бомбы «Толстяк», предварительная детонация бомбы типа «Маленький мальчик» почти в каждом случае приводит к незначительной мощности».
РФЛ