Bomba A

Bomba , powszechnie znany jako bomby atomowej , rozszczepienia bomby lub bomby jądrowej , to urządzenie wybuchowe, w którym energia jest uzyskiwana przez rozszczepienia jądrowego z masy krytycznej w rozszczepialnych elementów takich jak uranu 235 i plutonu 239 . Jego proces został objęty francuskim patentem 971-324 z lat 1939-1959.

Bomby atomowe były pierwszą opracowaną bronią jądrową ; jest to również eksplozja krytycznej masy rozszczepialnej, która umożliwia zapłon bomby wodorowej w nowoczesnych urządzeniach.

W historii broni nuklearnej jest to do tej pory jedyny rodzaj bomby użytej w konflikcie. Podczas II wojny światowej dwie bomby A, nazwane odpowiednio Little Boy ( uran ) i Fat Man ( pluton ), zostały użyte przez wojsko USA do zbombardowania miast Hiroszima i Nagasaki w sierpniu 1945 roku .

Tworzenie masy krytycznej

Masa krytyczna i neutrony

Masa materiału rozszczepialnego jest kwalifikowana jako krytyczna, gdy staje się zdolna do podtrzymania reakcji łańcuchowej , biorąc pod uwagę jego rozmiar, kształt, czystość i skład izotopowy materiału.

Liczbową miarą krytyczności jest współczynnik mnożenia neutronów k = f - l , gdzie f to średnia liczba neutronów uwalnianych średnio przez każde rozszczepienie atomu, a l to średnia liczba utraconych neutronów, albo z powodu ich ucieczki z układu, albo ponieważ są wychwytywane przez inne atomy bez powodowania rozszczepienia. Gdy k = 1, mówi się, że masa jest krytyczna, gdy k <1 masa jest podkrytyczna, a dla k > 1 mówi się, że masa jest nadkrytyczna.

Masa krytyczna kuli z czystego (niemoderowanego) materiału przy braku reflektora wynosi około pięćdziesięciu kilogramów dla uranu 235 i dziesięciu kilogramów dla plutonu 239 . Jeśli wokół materiału rozszczepialnego zostanie nałożona powłoka, która zwraca część neutronów w jego kierunku ( reflektor neutronów ), można zmniejszyć masę krytyczną. Podobnie, jeśli ten materiał rozszczepialny jest przejściowo ściskany dużym czynnikiem (pod wpływem fali uderzeniowej z zewnętrznej eksplozji), można również zmniejszyć masę krytyczną.

Aby zapobiec rozpoczęciu reakcji w dowolnym momencie, materiał rozszczepialny otrzymuje kształt ułatwiający ucieczkę neutronów: rozdzielenie na dwie części lub wydrążoną kulkę, czyli o większej powierzchni. W ten sposób masa krytyczna nie zostanie osiągnięta, a zatem nie ma ryzyka, że ​​reakcja łańcuchowa rozpocznie się w niezamierzony sposób. Eksplozja jest wyzwalana, gdy wszystkie części materiału rozszczepialnego zostaną nagle połączone w odpowiedniej formie, osiągając w ten sposób masę superkrytyczną.

Znaczenie konfiguracji krytycznej

Z oczywistych względów bezpieczeństwa elementy rozszczepialne bomby atomowej są utrzymywane w konfiguracji podkrytycznej, aby zapobiec przypadkowej eksplozji jądrowej. Tuż przed wybuchem bomby zniesiono różne środki bezpieczeństwa, aby zapobiec osiągnięciu krytycznej formy; mówi się wtedy, że bomba jest uzbrojona.

W przypadku bomby atomowej ważne jest, aby elementy rozszczepialne zostały połączone jak najszybciej. Rzeczywiście, użyte elementy rozszczepialne są również radioaktywne i naturalnie wydzielają neutrony. Z tego powodu reakcja rozszczepienia jądrowego może rozpocząć się, zanim cały materiał rozszczepialny osiągnie najlepszą konfigurację. Siła wybuchu jest wtedy zmniejszona, ponieważ mała eksplozja, która by nastąpiła, rozproszyłaby resztę materiału rozszczepialnego, zanim mógłby on wziąć udział w reakcji.

Istnieje kilka technik ponownego połączenia materiału rozszczepialnego, a tym samym osiągnięcia nadmiernie krytycznej konfiguracji, która wyzwala eksplozję jądrową. Możemy przytoczyć dwie techniki: przez wstawienie i przez implozję.

Montaż wkładany

Najprostszą techniką wywołania eksplozji jest wystrzelenie bloku materiału rozszczepialnego na inny blok, wykonany z tego samego materiału lub lepiej, cylindrycznego bloku wewnątrz pustego bloku. Jest to technika wkładania, zwana także techniką pistoletu - lub lufy. W ten sposób osiągane są krytyczne warunki i inicjowana jest reakcja łańcuchowa.

Blok materiału rozszczepialnego jest wyrzucany za pomocą bardzo silnego materiału wybuchowego, aby umożliwić szybkie uzyskanie kształtu. Wadą tej techniki jest to, że chociaż ta forma jest osiągana szybko (rzędu milisekundy), to nie wystarcza dla plutonu 239 , który nadal zawiera izotopy, w szczególności pluton 240 , uwalniając samorzutnie neutrony, co przedwcześnie inicjuje wybuch, właśnie wtedy, gdy warunki stają się krytyczne. Z tego powodu technika wstawiania jest stosowana tylko w przypadku bomb z uranem 235 .

Bomba zrzucona na Hiroszimę , Little Boy , użyła tej techniki. Fakt, że ta technika została użyta bez wcześniejszych testów (w przeciwieństwie do typu implozji używanego w Nagasaki ) pokazuje, jak ten tryb działania jest niezawodny i stosunkowo łatwy do opanowania.

Architektura bomby (Little Boy)
  1. Płetwy stabilizujące
  2. Stożek ogonowy
  3. Wlot powietrza
  4. Detonator ciśnieniowy
  5. Pojemnik ołowiu (ochrona)
  6. Ramię detonatora
  7. Głowica zapalnika
  8. Ładunek wybuchowy ( cordite )
  9. Pocisk uranu 235
  10. Cylinder beczkowy
  11. Tarcza uranowa 235 z pojemnikiem, odbłyśnik neutronów znajduje się u góry
  12. Sondy telemetryczne (wysokościomierz)
  13. Bezpieczniki do uzbrojenia bomby (włożone na krótko przed zwolnieniem)

Montaż implozji

Technika implozji jest bardziej złożona do wdrożenia. Polega ona na połączeniu materiału rozszczepialnego ułożonego w wydrążoną kulkę, a następnie ściśnięcie go tak, aby zwiększyć jego gęstość, a tym samym osiągnąć konfigurację nadkrytyczną, która wyzwoli reakcję rozszczepienia jądrowego, a tym samym wybuch.

Jego realizacja jest bardzo delikatna: ściskanie materiału rozszczepialnego odbywa się za pomocą bardzo silnych materiałów wybuchowych rozmieszczonych dookoła. Ale detonacja tych materiałów wybuchowych jest wyzwalana przez zestaw detonatorów, które muszą być rygorystycznie zsynchronizowane. Ponadto każda eksplozja ma tendencję do tworzenia sferycznej fali uderzeniowej , której środkiem jest detonator. Musimy jednak uzyskać falę uderzeniową kończącą się jednocześnie we wszystkich zewnętrznych punktach materiału rozszczepialnego, którą możemy sobie wyobrazić jako wydrążoną kulę. Te fale uderzeniowe muszą się odkształcać, aby przejść ze sfer wyśrodkowanych na zewnątrz do kuli o wspólnym środku. Osiąga się to za pomocą materiałów wybuchowych, których fala uderzeniowa porusza się z różnymi prędkościami, co prowadzi do jej deformacji. Dlatego obróbka kształtów tych materiałów wybuchowych musi być wykonana z dużą precyzją.

Podobny problem pojawia się w przypadku plutonu, który może przyjmować kilka stanów ( faz ) o różnych właściwościach mechanicznych, a zatem ma tendencję do niejednorodności, co prowadziłoby do deformacji fali uderzeniowej. Można temu zaradzić, jak w metalurgii żelaza - gdzie powszechnym dodatkiem jest węgiel - dodając niewielkie ilości innego pierwiastka, często galu .

Technika implozji umożliwia znacznie szybsze osiągnięcie ustawienia nadkrytycznego niż w przypadku wprowadzenia. W przypadku implozji opóźnienie jest rzędu dwóch do trzech mikrosekund, czyli około sto razy szybciej niż w przypadku wstawienia. Technika ta umożliwia wykorzystanie plutonu 239 jako materiału rozszczepialnego. Technika implozji jest również bezpieczniejsza, ponieważ krytyczną konfigurację można osiągnąć tylko w przypadku użycia konwencjonalnego materiału wybuchowego, a nie po prostu przesuwając kawałek metalu, jak w systemie wprowadzania.

Wydajność i / lub masę krytyczną można dodatkowo poprawić, umieszczając różne warstwy między materiałem wybuchowym a materiałem rozszczepialnym, które mogą wywierać wpływ mechaniczny poprzez swoją bezwładność lub przez rozprowadzanie fali uderzeniowej w czasie (tym samym przedłużając wybuch), lub spowolnić utrata neutronów (reflektor neutronów zmniejszający masę krytyczną).

Pierwsza bomba atomowa w historii, Gadget , a trzecia, Fat Man , zawierała pluton i wykorzystywała technikę implozji.

Wybuch masy krytycznej

Przejście do montażu nadkrytycznego

Jeśli obecność masy krytycznej wystarczy, aby wywołać reakcję łańcuchową, niekoniecznie jest ona wybuchowa: nie znajduje się w elektrowni jądrowej ani podczas awarii krytycznej . Głównym problemem technicznym, który należy rozwiązać w celu zapewnienia skuteczności wybuchu, jest utrzymanie materiału rozszczepialnego w konfiguracji nadkrytycznej wystarczająco długo, aby znaczna część jego masy uległa rozszczepieniu i wytworzyła energię.

Aby uzyskać eksplozję atomową, należy wprawić w ruch reakcję łańcuchową w materiale rozszczepialnym, tak aby wolne neutrony mnożyły się wykładniczo , powodując szybkie przejście z konfiguracji podkrytycznej ( k = 0,9) do konfiguracji odrębnej. Nadkrytyczna (zazwyczaj , k = 3). Mówimy wtedy o masie nadkrytycznej.

W tym celu musisz mieć wystarczającą ilość materiału rozszczepialnego, to jest masa krytyczna , aw możliwie najbardziej zwartej formie kulka , aby zapobiec ucieczce zbyt wielu neutronów przez powierzchnię. W bombach atomowych ilość materiału rozszczepialnego musi być nawet większa niż masa krytyczna, zwykle trzykrotnie.

Aby scharakteryzować ewolucję reakcji rozszczepienia, używamy współczynnika „alfa” zdefiniowanego jako współczynnik wykładniczego wzrostu populacji neutronów, który zależy tylko od geometrii i stanu materii, a zatem jest zasadniczo stały w skalach czasowych uważane:

lub znowu, dα / d t jest pomijalne:

Współczynnik ten wynosi zero przy krytyczności, ujemny, jeśli zespół nie jest krytyczny, a tym bardziej dodatni, tym szybsza reakcja łańcuchowa . Ma wymiar częstotliwości. Gdy jest dodatnia, jest odwrotnie proporcjonalna do czasu podwojenia populacji neutronów.

Jedynymi wartościami dostępnymi dla eksperymentu dla Projektu Manhattan były oczywiście wartości poniżej krytyczności natychmiastowej. Przez ekstrapolację do gęstości docelowych dla zespołu nadkrytycznego, obliczona wartość alfa wyniosła 270 / µs dla zespołu uranu i 252 / µs dla zespołu plutonu; co oznacza czas podwojenia od 0,00257 do 0,00275  µs .

Każdy uwalnia rozpadu około 2,93 x 10 -11  J . Aby wytworzyć przez rozszczepienie równoważnik energii do 20  kt z TNT , to znaczy 8.367 x 10 13  J , łańcuchowa reakcja może odnosić się do około 2,856 x 10 24  rozszczepień, a więc rzędu 281,2 . Jeśli czas podwojenia jest rzędu 0,002 66  µs , całe uwolnienie energii będzie rzędu 0,216  µs .

Inicjacja reakcji

Aby zapewnić skuteczną eksplozję, materiał rozszczepialny musi być utrzymywany wystarczająco długo w konfiguracji nadkrytycznej. Ale energia uwolniona w reakcji łańcuchowej ma tendencję do ogrzewania i rozpraszania masy krytycznej, zmniejszając jej krytyczność. Dlatego konieczne jest, aby przejście do stanu krytycznego było dostatecznie gwałtowne, aby osiągnięta krytyczność była wysoka, a bezwładność masy rozszczepialnej była wystarczająca, aby pozostała krytyczna tak długo, jak to możliwe, zanim zostanie ostatecznie rozproszona przez eksplozję.

Gdy system ewoluuje w kierunku stanu docelowego, jest najpierw podkrytyczny, a następnie przechodzi przez stan krytyczny. Gdy tylko zostanie osiągnięty stan krytyczny, reakcje jądrowe mogą rozwinąć się wykładniczo, zainicjowane przez neutrony ze spontanicznego rozszczepienia użytego materiału i zdetonować zespół, zanim osiągnie on swój optymalny stan. Nazywa się to „detonacją wstępną”.

Aby prawdopodobieństwo takiej detonacji wstępnej pozostało niskie, prawdopodobieństwo wyemitowania pojedynczego neutronu między przejściem w stan krytyczny a stan optymalny musi być znikome. W tym celu konstrukcja maszyny musi być taka, aby czas przejścia w stan maksymalnej reaktywności był jak najkrótszy, oraz aby stosować materiały rozszczepialne, które mają tylko niski współczynnik emisji, spontaniczne neutrony. Aby doprowadzić do wybuchu jądrowego, materiał rozszczepialny musi zostać bardzo szybko doprowadzony do optymalnego stanu nadkrytycznego .

Im bardziej spontaniczne rozszczepienie będzie miało zastosowany materiał rozszczepialny , tym szybciej będzie konieczne przejście na tryb nadkrytyczny, tak aby prawdopodobieństwo samoistnego rozszczepienia przed osiągnięciem optimum było jak najmniejsze lub aby reakcja łańcuchowa spowodowana spontanicznym rozszczepieniem była jak najmniejsza. nie mam czasu na znaczny rozwój.

Na kilogram materiału rozszczepialnego uran 235 wytwarza 0,3 neutronu na sekundę, pluton 239 wytwarza 22, prawie sto razy więcej; ale przede wszystkim Pu-239 zawsze zawiera ułamek Pu-240, który wytwarza 920 neutronów na gram . To właśnie z powodu Pu-240 nie można wyprodukować broni w drodze pojednania, używając plutonu jako materiału rozszczepialnego: czas potrzebny na pojednanie jest zbyt długi, aby broń była niezawodna. Z tego też powodu poziom plutonu 240 musi być możliwie najniższy dla tak zwanego plutonu „klasy wojskowej”.

I odwrotnie, mając broń, której moc jest przewidywalna, nie można jednocześnie uniknąć przed detonacji i czekać na spontaniczne wyzwolenie: zespół osiąga optymalny stan tylko przez pewien czas. a prawdopodobieństwo, że gruntowanie zostanie przeprowadzone przez spontaniczne rozszczepienie dokładnie wtedy, gdy jest to potrzebne, jest nawet niższe niż w przypadku wstępnego zalewania.

Z tego powodu broń jądrowa zawiera źródło neutronów , które wysyłają wybuch neutronów w optymalnym czasie, określonym przez konstrukcję broni. Liczba neutronów rzędu molowego odpowiada ~ 80 podwojeniu populacji neutronów, co stanowi maksymalny margines między przejściem do krytyczności a inicjacją niezawodnej broni.

Wybuch jądrowy

Po osiągnięciu masy krytycznej rozpoczyna się reakcja łańcuchowa. W pełnej reakcji każde jądro materiału rozszczepialnego dzieli się na dwa jaśniejsze jądra ( produkty rozszczepienia ) i dodatkowo uwalnia neutrony . Te następnie uderzą w inne atomy materiału rozszczepialnego, które z kolei uwolnią neutrony i tak dalej. Wyzwalana jest reakcja łańcuchowa, a materiał wydziela kolosalną energię w porównaniu z ilością zaangażowanego materiału rozszczepialnego. Jednak w bombie atomowej tylko niewielka (czasami bardzo mała) część materiału rozszczepialnego jest faktycznie zużywana przed śmiercią ”. zostać rozproszone przez eksplozję, co odpowiednio zmniejsza moc wybuchu w odniesieniu do energii potencjalnej rozszczepialnej masy.

W przypadku takiej samej ilości reagentów energia uwolniona podczas reakcji rozszczepienia może być rzędu sto milionów razy większa niż energia uwolniona w reakcji chemicznej. Energia ta jest bardzo szybko przekształcana w ciepło poprzez hamowanie tych produktów rozszczepienia w otaczającym materiale.

Bomba z domieszką

Domieszką rozszczepienie broń jest rodzajem broni jądrowej , który zużywa niewielką ilość paliwa do bezpiecznika , w celu zwiększenia jego rozszczepienia stopy , a zatem moc. W bombie wodorowej moc pierwszego stopnia i jego zdolność do wywołania wybuchu wtórnego jest zwiększana (wzbogacana) przez mieszaninę trytu , który ulega reakcji fuzji jądrowej z deuterem . Idea dopingu narodziła się początkowo między jesienią 1947 a jesienią 1949 roku w Los Alamos . Inne znaczenie odnosi się do rodzaju przestarzałej jednostopniowej bomby jądrowej, która wykorzystuje na dużą skalę fuzję termojądrową do tworzenia szybkich neutronów, powodując rozszczepienie zubożonego uranu , ale która nie jest bombą wodorową na dwóch piętrach.

Doping opiera się na następującej reakcji:

D + T → 4 He + n + 17,6  MeV (D będąc 2 H deuteru jądro , T a 3 H trytu jądro , n jest neutronów i p protonów )

Ta reakcja (fuzja deuteru z trytem) jest stosunkowo łatwa do rozpoczęcia, temperatura i warunki sprężania są w zasięgu reakcji rozszczepienia. Szybkość reakcji topnienia na ogół staje się znacząca i wynosi od 20 do 30 megakelwinów. Temperatura ta jest osiągana przy bardzo niskich poziomach sprawności, podczas gdy mniej niż 1% materiału rozszczepialnego uległo pęknięciu (co odpowiada sile rzędu kilkuset ton trotylu). Samo w sobie jest niewystarczające, aby wywołać eksplozję termojądrową, ale można je wykorzystać do przyspieszenia reakcji.

Kilka gramów deuteru i trytu umieszcza się w środku rozszczepialnego rdzenia, gdzie eksplozja rozszczepialnej masy stwarza warunki temperatury i ciśnienia wystarczające do wywołania fuzji. Sam proces syntezy dodaje do procesu tylko niewielką ilość energii, może 1% . Przede wszystkim fuzja tworzy duży przepływ bardzo energetycznych neutronów .

Te neutrony uwalniane w reakcjach syntezy dodaje się do neutronów uwalnianych przez rozszczepienie nasilać zbieg reakcje rozszczepienia, o ile ten strumień neutronów przybywa w momencie, gdy rdzeń jest wciąż bardzo nad krytycznym. Neutrony znacznie zwiększają szybkość spalania obecnego materiału rozszczepialnego, wysoko wzbogaconego plutonu lub uranu . Wytworzone neutrony mają energię 14,1  MeV , która jest wystarczająca do spowodowania rozszczepienia U-238. Liczba reakcji rozszczepienia gwałtownie wzrasta, zanim serce faktycznie eksploduje.

Aby dać wyobrażenie o skuteczności domieszkowania, można wyzwolić fuzję (rzekomo kompletną) jednego mola trytu ( 3  g ) i jednego mola deuteru ( 2  g ) przy mniej niż 1% rozszczepienia energii i wytworzyć około 1% energii rozszczepienia. Przede wszystkim jednak wytwarza jeden mol neutronów ( 1  g ), który, pomijając straty, mógłby bezpośrednio rozbić jeden mol ( 239  g ) plutonu, wytwarzając 4,6 mola wtórnych neutronów, które z kolei pękłyby 4,6 moli innych. pluton ( 1099  g ). W sumie rozszczepienie 1,338  kg plutonu w ciągu dwóch pokoleń powoduje dodanie 23  kiloton trotylu, co odpowiada eksplozji rdzenia.

To podejście jest stosowane w nowoczesnej broni, aby zapewnić wystarczającą moc na pierwszym etapie, jednocześnie umożliwiając znaczne zmniejszenie rozmiaru i wagi oraz odporności na promieniowanie. Ponadto domieszkowane bomby rozszczepialne mogą być łatwiej odporne na pasożytnicze promieniowanie neutronowe z pobliskich eksplozji jądrowych.

Patent

Bomba A jest przedmiotem patentu na wynalazek dotyczący ulepszania ładunków wybuchowych [1], zgłoszonego pod numerem 971-324 na4 maja 1939 rprzez Narodowy Fundusz Badań Naukowych - dotycząca pracy Frédéric Joliot-Curie , Hans Halban i Lew Kowarski . Trzej współtwórcy oczywiście ukryli istnienie swojego patentu przed niemieckimi okupantami. Patent wszedł do domeny publicznej w 1959 roku .

Do tego dodaje się czterech innych patentów od 1939 do 1940 roku odnoszące się do produkcji energii.

Ze względu na ich znaczenie patenty te przyniosły niewiele tantiem . Część uzyskanych pieniędzy przeznaczana jest na badania naukowe poprzez przyznawanie grantów.

Robert Oppenheimer został wybrany przez rząd Stanów Zjednoczonych do podjęcia i przetestowania pierwszej bomby atomowej.

Uwagi i odniesienia

  1. (in) Rodzaje bomb jądrowych i trudność ich wytworzenia - Tabela 1 - Właściwości nuklearnych nuklidów wybuchowych
  2. (en) The Nuclear Weapon Archive (dostęp 23 lutego 2012)
  3. Hans A. Bethe , „  Memorandum on the History Of Thermonuclear Program  ” , on Federation of American Scientists , Chuck Hansen,28 maja 1952(dostęp 19 maja 2010 )
  4. (w) Richard E. Rowberg Clifford Lau, Program produkcji trytu Departamentu Energii 1997.
  5. „  Archiwum broni jądrowej: 12.0 Przydatne tabele  ”
  6. (w) Projektowanie broni jądrowej , Federacja Amerykańskich Naukowców
  7. C. Gilguy, „  Historia podstawowych patentów zespołu Joliot  ” , BIST,Kwiecień 1963(dostęp 6 grudnia 2008 )

Załączniki

Bibliografia

Powiązane artykuły

Linki zewnętrzne