Пушечная схема деления

Пушечная схема деления — это конструкция ядерного взрывного устройства, в которой два или более подкритических куска делящегося материала (обычно урана-235 или плутония-239) соединяются в единую сверхкритическую массу путём выстрела одного из них в другой с помощью артиллерийского заряда. Данный метод является одним из двух основных способов создания ядерного взрывного устройства (наряду с имплозивной схемой) и исторически был реализован в первом в мире ядерном оружии.

Принцип действия

В основе пушечной схемы лежит принцип быстрого увеличения массы делящегося вещества до сверхкритической. В исходном состоянии устройство содержит два (или более) отдельных куска делящегося материала, каждый из которых по отдельности имеет массу меньше критической. Это предотвращает самопроизвольную цепную реакцию. Один из кусков, называемый «снарядом», помещается в ствол, второй, «мишень», — в конце ствола.

При срабатывании взрывного заряда (обычно бездымного пороха) снаряд разгоняется до высокой скорости (порядка 300–1000 м/с) и врезается в мишень. В результате образуется единая масса, превышающая критическую. Для обеспечения эффективного взрыва необходимо, чтобы соединение произошло за время, меньшее времени жизни нейтронов в делящемся материале (порядка микросекунд), иначе реакция может начаться до полного соединения, что приведёт к преждевременному разлёту вещества и снижению мощности взрыва.

После достижения сверхкритического состояния в устройство вводится источник нейтронов (например, полоний-бериллиевый инициатор), который запускает лавинообразную цепную реакцию деления ядер. Выделяющаяся энергия приводит к взрыву.

История

Разработка в рамках Манхэттенского проекта

Пушечная схема была разработана в США в ходе Манхэттенского проекта (1942–1945 гг.). Идея принадлежала группе физиков под руководством Роберта Оппенгеймера. Первоначально рассматривалась как основной метод для создания урановой бомбы, поскольку была технически проще имплозивной схемы.

Первое в мире ядерное взрывное устройство, испытанное 16 июля 1945 года в рамках операции «Тринити», использовало имплозивную схему (плутониевая бомба «Гаджет»). Однако пушечная схема была применена в бомбе «Малыш» (Little Boy), сброшенной на Хиросиму 6 августа 1945 года. Это было единственное боевое применение ядерного оружия, основанного на пушечной схеме.

Послевоенное развитие

После Второй мировой войны пушечная схема была признана малоперспективной для компактных и мощных боеприпасов. Основные недостатки — низкая эффективность использования делящегося материала (коэффициент использования урана-235 в «Малыше» составил менее 1,4%) и невозможность применения плутония-239 из-за высокого фона спонтанного деления. Тем не менее, в СССР в 1949–1950-х годах велись работы по созданию пушечных бомб, но они не были приняты на вооружение. В 1950-х годах США разработали несколько артиллерийских снарядов с ядерной боевой частью, использующих пушечную схему (например, 280-мм снаряд М65 «Атомная пушка»), но они были сняты с вооружения к 1960-м годам.

В настоящее время пушечная схема практически не применяется в современном ядерном оружии из-за её низкой эффективности и уязвимости к преждевременному подрыву. Однако она продолжает использоваться в некоторых экспериментальных установках и в качестве учебного материала.

Устройство

Типичное устройство пушечной схемы включает следующие основные компоненты:

• Ствол — прочная труба, обычно из стали, внутри которой происходит движение снаряда. Длина ствола может достигать нескольких метров.
• Снаряд — цилиндрический или сферический кусок делящегося материала (обычно уран-235), который движется внутри ствола.
• Мишень — неподвижный кусок делящегося материала, расположенный в конце ствола. Часто имеет углубление для лучшего контакта со снарядом.
• Взрывной заряд — метательный заряд (обычно бездымный порох), который разгоняет снаряд. В некоторых конструкциях используется пневматический или гидравлический привод.
• Источник нейтронов — устройство, генерирующее нейтроны для инициации цепной реакции. Обычно это полоний-бериллиевый инициатор, который активируется в момент соединения.
• Корпус — внешняя оболочка, обеспечивающая прочность и защиту от внешних воздействий. В некоторых конструкциях корпус также выполняет роль отражателя нейтронов.

Характеристики

Основные характеристики пушечной схемы:

• Скорость соединения — от 300 до 1000 м/с. Чем выше скорость, тем меньше вероятность преждевременного подрыва.
• Масса делящегося материала — обычно от 10 до 60 кг урана-235. Для плутония-239 требуется значительно меньшая масса, но его использование в пушечной схеме практически невозможно.
• Эффективность — коэффициент использования делящегося материала составляет 1–5%, что значительно ниже, чем у имплозивных схем (10–30%).
• Мощность — от 0,1 до 20 килотонн в тротиловом эквиваленте. Для увеличения мощности требуется значительное увеличение массы делящегося материала.
• Надёжность — высокая, так как схема проста и не требует сложной синхронизации. Однако она уязвима к преждевременному подрыву из-за спонтанного деления.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции — пушечная схема не требует сложной системы подрыва и синхронизации, как в имплозивных устройствах.
• Высокая надёжность — при правильной сборке вероятность отказа минимальна.
• Меньшая стоимость — производство и сборка дешевле, чем для имплозивных схем.

Недостатки

• Низкая эффективность — большая часть делящегося материала не успевает прореагировать до разлёта.
• Ограниченная мощность — для достижения высокой мощности требуется очень большая масса делящегося материала, что делает устройство громоздким.
• Неприменимость к плутонию — из-за высокого фона спонтанного деления плутоний-239 не может быть использован в пушечной схеме, так как реакция начнётся до полного соединения.
• Уязвимость к преждевременному подрыву — при наличии посторонних нейтронов (например, от космического излучения) устройство может взорваться раньше времени.
• Большие габариты — длина ствола может достигать нескольких метров, что ограничивает применение в компактных боеприпасах.

Применение

Пушечная схема использовалась в следующих типах ядерных устройств:

• Бомба «Малыш» (Little Boy) — первое и единственное боевое применение. Сброшена на Хиросиму 6 августа 1945 года. Мощность взрыва составила около 15 килотонн.
• Артиллерийские снаряды — в 1950-х годах США разработали 280-мм снаряд М65 «Атомная пушка» (мощность 15–20 килотонн), а также 155-мм и 203-мм снаряды (W9, W19, W33). Все они были сняты с вооружения.
• Экспериментальные установки — в некоторых странах (например, в СССР) пушечная схема использовалась для испытаний и отработки технологий.
• Учебные макеты — в настоящее время пушечная схема применяется в учебных целях для демонстрации принципов ядерного взрыва.

Современное состояние

В настоящее время пушечная схема не используется в боевых ядерных боеприпасах ни одной из стран. Основные причины — низкая эффективность, невозможность использования плутония и уязвимость к преждевременному подрыву. Современные ядерные устройства, как правило, основаны на имплозивной схеме, которая позволяет достичь значительно более высокой мощности и компактности.

Тем не менее, пушечная схема остаётся важным историческим этапом в развитии ядерного оружия. Она также используется в некоторых научных исследованиях, например, при изучении свойств делящихся материалов и процессов цепной реакции.

Источники

• Ричард Роудс. «Создание атомной бомбы». — М.: Центрполиграф, 2012.
• Л.И. Пономарёв. «Под знаком кванта». — М.: Физматлит, 2007.
• «Ядерное оружие: история, принципы действия, последствия». — М.: МИФИ, 2005.
• Доклад «The Manhattan Project: Making the Atomic Bomb» (U.S. Department of Energy, 2010).