Яма (ядерное оружие) - Pit (nuclear weapon)

"ядро демона ": воссоздание конфигурации, использованной в роковом 1945 году. авария с критичностью со сферой из плутония, окруженной нейтронно-отражающей карбид вольфрама блоки.

Прецизионная плутониевая литейная форма, 1959 г.

В яма, названный в честь твердого ядра, обнаруженного во фруктах, таких как персики и абрикосы, является ядром взрывное ядерное оружие - в делящийся материал и любой отражатель нейтронов или же вмешиваться привязан к нему. В некоторых видах оружия, испытанных в 1950-х годах, использовались ямы, сделанные из U-235 один или в составной с плутоний,^[1] но ямы, полностью изготовленные из плутония, имеют наименьший диаметр и являются стандартом с начала 1960-х годов.

Ямы конструкции

Кристи Питс

Ямы первого ядерного оружия были прочными, с еж нейтронный инициатор в их центре. Гаджет и Толстяк использованные ямы из 6,2 кг твердого горячее прессование плутоний-галлиевый сплав (при 400 ° C и 200 МПа в стальных штампах - 750 ° F и 29000 фунтов на кв. дюйм) полусферы диаметром 9,2 см (3,6 дюйма) с внутренней полостью 2,5 см (1 дюйм) для инициатора. Яма Гайки была гальванический с 0,13 мм серебро; на слое образовались пузыри, и пузыри пришлось отшлифовать и покрыть сусальное золото перед тестом. Яма Толстяка и все последующие модели были покрыты никель. А полая яма считался более эффективным, но в конечном итоге был отклонен из-за более высоких требований к точности имплозии.

Использовались более поздние конструкции Инициаторы ТОМ аналогичной конструкции, но диаметром всего около 1 см (½ дюйма). Позднее внутренние нейтронные инициаторы были прекращены и заменены импульсными. источники нейтронов, и с усиленным оружием деления.

Твердые сердечники были известны как "Кристи"дизайн, после Роберт Кристи кто воплотил в жизнь проект сплошного карьера после того, как он был первоначально предложен Эдвард Теллер.^[2]^[3]^[4] Вместе с ямой весь физический пакет также был неофициально прозван "Гаджет Кристи".^[5]

Левитирующие ямы

Эффективность имплозии можно повысить, оставив пустое пространство между тампером и ямой, что вызовет быстрое ускорение ударной волны до того, как она ударится в яму. Этот метод известен как Взрыв левитирующей ямы. Левитирующие ямы были испытаны в 1948 году с бомбами типа Толстяка (Марк IV Раннее оружие с левитирующей ямой имело съемную яму, называемую карьер. Он хранился отдельно, в специальной капсуле под названием клетка для птиц.^[6]

Полые ямы

Во время взрыва полой ямы слой плутония ускоряется внутрь, сталкиваясь в середине и образуя сверхкритическую высокоплотную сферу. Из-за добавленного импульса плутоний сам играет роль тампера, требуя меньшего количества урана в защитном слое, уменьшая вес и размер боеголовки. Полые ямы более эффективны, чем сплошные, но требуют более точной имплозии; Поэтому сплошные ямы «Кристи» были предпочтительны для первых конструкций оружия. После окончания войны в августе 1945 года лаборатория снова сосредоточилась на проблеме котлована, и до конца года ее возглавлял Ганс Бете, его руководитель группы и преемник теоретического подразделения, с полым композитным сердечником, представляющим наибольший интерес,^[7] из-за стоимости плутония и проблемы с наращиванием реакторов в Хэнфорде.

Эффективность полых ямок может быть дополнительно увеличена путем закачки смеси 50% / 50% дейтерий и тритий в полость непосредственно перед имплозией, так называемые "усиление синтеза"; это также снижает минимальное количество плутония для успешного взрыва. Более высокая степень контроля инициирования, как количеством вводимой дейтерий-тритиевой смеси, так и синхронизацией и интенсивностью нейтронного импульса от внешнего генератора, облегчила конструкцию переменная доходность оружие.

Композитные активной зоны и урановые карьеры

В то время поставки плутония-239 были ограничены. Чтобы снизить его количество, необходимое для котлована, композитный сердечник была разработана, где полая оболочка из плутония была окружена внешней оболочкой, которая в то время была более многочисленной. высокообогащенный уран. Композитные сердечники были доступны для Марк 3 ядерные бомбы к концу 1947 г.^[8] Например, композитный сердечник для бомбы US Mark 4, 49-LCC-C, был сделан из 2,5 кг плутония и 5 кг урана. Его взрыв высвобождает только 35% энергии плутония и 25% урана, поэтому он не очень эффективен, но экономия веса плутония значительна.^[9]

Еще один фактор для рассмотрения различных материалов карьера - это различное поведение плутония и урана.^[10] Плутоний делится быстрее и производит больше нейтронов, но тогда его производство было дороже, и его было мало из-за ограничений доступных реакторов. Уран медленнее расщепляется, поэтому его можно собрать в более сверхкритическую массу, что позволяет увеличить мощность оружия. Создание композитного сердечника рассматривалось еще в июле 1945 года, а композитные сердечники стали доступны в 1946 году. Приоритетом для Лос-Аламоса тогда было проектирование полностью уранового карьера. Новые конструкции карьера прошли испытания Операция Sandstone.

Активная зона, содержащая только плутоний, с ее высокой фоновой нейтронной скоростью имела высокую вероятность преддонация, с пониженной урожайностью.^[11] Сведение к минимуму этой вероятности требовало меньшей массы плутония, что ограничивало достижимый выход примерно до 10 кт, или использования высокочистого плутония-239 с непрактично низким уровнем загрязнения плутонием-240. Преимуществом композитного сердечника была возможность поддерживать более высокий выход при сохранении низкого риска преддетонации и использовать оба доступных делящегося материала. Ограничение мощности стало неактуальным в середине 1950-х годов с появлением термоядерного синтеза, а затем и с использованием термоядерного оружия.^[12]

Мощность оружия также можно контролировать, выбирая ямы. Например, Ядерная бомба Mark 4 мог быть оборудован тремя различными ямами: 49-LTC-C (левитирующий уран-235, испытанный в ходе испытания Zebra 14 мая 1948 г.), 49-LCC-C (левитирующий композит уран-плутоний) и 50-LCC-C ( левитирующий композит).^[13] Этот подход не подходит для выбора мощности более современного оружия с несъемными ямами в полевых условиях, но позволяет производить несколько подтипов оружия с разной мощностью для различных тактических целей. Ранние разработки США были основаны на стандартизированных стандартах. Тип C и Тип D карьерные сборки. В Марка 4 Бомба использовала ямы типа C и типа D, которые вставлялись вручную в полете. В Марка 5 бомба использовала ямы типа D с автоматической установкой в полете; БЧ W-5 использовала то же самое. Его преемник, Марка 6 бомба, предположительно использовала те же или аналогичные ямы.

Яма может состоять только из плутония-239, плутония-239 / урана-235 или только урана-235. Плутоний - наиболее распространенный выбор, но, например, в Фиолетовый клуб бомбить^[14] и Orange Herald БЧ использовала массивные полые ямы, состоящие из 87 и 117 кг (98 и 125 кг по другим данным) высокообогащенный уран. В Зеленая трава активная зона деления состояла из сферы из высокообогащенного урана с внутренним диаметром 560 мм, толщиной стенки 3,6 мм и массой 70–86 кг; Яма была полностью поддержана окружающим тампером из природного урана. Такие массивные ямы, состоящие из более чем одной критической массы делящегося материала, представляют значительную угрозу безопасности, поскольку даже асимметричный взрыв имплозионной оболочки может вызвать взрыв на килотонном расстоянии.^[15] Самое мощное оружие чистого деления - 500 килотонн. Ядерная бомба Mark 18, использовал полую яму, состоящую из более 60 кг высокообогащенного урана, около четырех критических масс; спасение было сделано с алюминий –бор цепь вставлена в яму.

Составная яма плутония и уран-233, на основе плутоний-U235 от TX-7E Ядерная бомба Mark 7, испытан в 1955 г. во время Операция Чайник в ВСТРЕТИЛИСЬ тест. Мощность составила 22 килотонны вместо ожидаемых 33 килотонн.

Герметичные ямы

А запечатанная яма означает, что вокруг ямы внутри ядерного оружия образуется прочный металлический барьер без отверстий. Это защищает ядерные материалы от разрушения окружающей среды и помогает снизить вероятность их выброса в случае случайного пожара или небольшого взрыва. Первым американским оружием, использующим запечатанную яму, был W25 боеголовка. Металл часто бывает нержавеющая сталь, но бериллий, алюминий, и возможно ванадий также используются. Бериллий хрупкий, токсичный и дорогой, но он является привлекательным выбором из-за его роли отражатель нейтронов, снижая необходимую критическую массу ямы. Вероятно, существует слой межфазного металла между плутонием и бериллием, улавливающий альфа-частицы от распада плутония (а также америций и других загрязняющих веществ), которые в противном случае вступили бы в реакцию с бериллием и образовали нейтроны. Бериллиевые тамперы / отражатели начали использовать в середине 1950-х годов; детали были обработаны из прессованных порошковых бериллиевых заготовок в Завод Скалистых Квартир.^[16]

Более современные плутониевые ямы полые. Часто цитируемая спецификация, применимая к некоторым современным карьерам, описывает полую сферу из подходящего конструкционного металла приблизительного размера и веса шар для боулинга, с каналом для ввода тритий (в случае усиленное ядерное оружие ) с внутренней поверхностью, покрытой плутонием. Размер, обычно между шаром для боулинга и теннисный мяч точность сферичности, а также вес и изотопный состав делящегося материала - основные факторы, влияющие на свойства оружия, - часто классифицируются. Полые ямы могут быть выполнены из полуоболочек с тремя стыками. сварные швы вокруг экватора и труба припаянный (на бериллиевую или алюминиевую оболочку) или электронный луч или же Сварка TIG (на кожух из нержавеющей стали) для впрыска наддува.^[17] Ямы, покрытые бериллием, более уязвимы к разрушению, более чувствительны к колебаниям температуры, с большей вероятностью требуют очистки, восприимчивы к коррозия с хлоридами и влагой и может подвергнуть рабочих воздействию токсичного бериллия.

Более новые карьеры содержат около 3 килограммов плутония. Старые ямы использовали около 4-5 килограммов.^[18]

Линейные ямы имплозии

Дальнейшая миниатюризация была достигнута за счет линейная имплозия. Удлиненная подкритическая твердая яма, преобразованная в сверхкритическую сферическую форму двумя противоположными ударными волнами, а затем и полая яма с более точной формой ударных волн, позволили создать относительно очень небольшие ядерные боеголовки. Конфигурация, однако, считалась предрасположенной к случайному высокопроизводительному взрыву, когда взрывчатое вещество было случайно инициировано, в отличие от сборки сферической имплозии, где асимметричная имплозия разрушает оружие, не вызывая ядерной детонации. Это потребовало особых мер предосторожности при проектировании и серии испытаний на безопасность, включая одноточечная безопасность. Несферические ямы представляют собой значительный технологический прогресс, позволяющий разрабатывать меньшие и более легкие ядерные устройства, подходящие, например, для несколько боеголовок с независимым наведением. Миниатюрные боеголовки с линейной имплозивной конструкцией, например в W88, часто используют несферические, сплюснутый сфероид ямы. Эта конфигурация была впервые использована в W47.^[19]

В сентябре 1992 года Китай якобы провел успешное ядерное испытание несферической ямы, что стало важным технологическим достижением.^[20]

Разделение ямы между оружием

Ямы могут быть разделены между конструкциями оружия. Например, W89 Говорят, что боеголовка повторно использует ямы из W68s. Многие проекты ям стандартизированы и используются разными физическими пакетами; одни и те же пакеты физики часто используются в разных боеголовках. Ямы также можно использовать повторно; запечатанные ямы, извлеченные из разобранного оружия, обычно складываются для прямого повторного использования. Из-за низкой скорости старения плутоний-галлиевого сплава срок хранения ям оценивается в столетие и более. Самым старым карьерам в арсенале США меньше 50 лет.

Герметичные ямки можно разделить на склеенные и несвязанные. Незакрепленные ямы можно демонтировать механически; а токарный станок достаточно для выделения плутония. Переработка склеенных ям требует химической обработки.^[17]

Утверждается, что ямы современного оружия имеют радиус около 5 см.^[21]

Оружие и типы ям

Оружие и типы ям^[22]
Лаборатория дизайна	Оружие	Тип ямы	Положение дел	Используется в	Комментарий
LANL	B61 -3,4,10	123	Неизменный запас	бомбить
LANL	B61 -7,11	125	Неизменный запас	бомбить
LANL	B61 -4	118	Неизменный запас	бомбить
LANL	W76	116	Неизменный запас	Трезубец I и Трезубец II БРПЛ	самая термочувствительная конструкция LANL
LANL	W78	117	Неизменный запас	LGM-30 Minuteman МБР
LANL	W80	124	Неизменный запас	очень похож на W84, модификацию B61; АГМ-86, AGM-129, BGM-109 Томагавк	ответственность передается LLNL
LANL	W80	119	Неизменный запас	очень похож на W84, модификацию B61; АГМ-86, AGM-129, BGM-109 Томагавк
LANL	W80-0		Неизменный запас	BGM-109 Томагавк	сверхчистый плутоний, низкая радиация, для подводных лодок
LANL	W88	126	Неизменный запас	Трезубец II БРПЛ	линейная имплозия, несферическая яма
LLNL	B83	MC3350	Неизменный запас	гравитационная бомба	самая тяжелая яма, огнеупорная яма
LLNL	W62	MC2406	Неизменный запас	LGM-30 Minuteman МБР
LLNL	W84	?	Неизменный запас	очень похож на W80; BGM-109G GLCM	огнеупорная яма
LLNL	W87	MC3737	Неизменный запас	LGM-118A Peacekeeper	огнеупорная яма
LANL	B28	83	на пенсии	бомбить
LANL	B28-0	93	на пенсии	бомбить	минимум спад тепла
LANL	B43	79	на пенсии	бомбить	покрытый бериллием
LANL	B43-1	101	на пенсии	Цеце первичный; бомбить	покрытый бериллием
LANL	W33	?	на пенсии	8" ядерная артиллерия ракушка
LANL	W44	74	на пенсии	Цеце первичный; АСРОК-5 руб. противолодочный	покрытый бериллием
LANL	W44 -1	100	на пенсии	Цеце первичный	покрытый бериллием
LANL	W50-1	103	на пенсии	Цеце первичный; MGM-31 Першинг IRBM
LANL	B54	81	на пенсии	бомбить	требуют очистки перед длительным хранением
LANL	B54-1	96	на пенсии	бомбить	требуют очистки перед длительным хранением
LANL	B57	104	на пенсии	Цеце первичный; бомбить
LANL	W59	90	на пенсии	Цеце первичный; Минитмен I МБР
LANL	B61-0	110	на пенсии	бомбить
LANL	B61 -2,5	114	на пенсии	бомбить
LANL	W66	112	на пенсии	Спринт противоракетная ракета
LANL	W69	111	на пенсии	AGM-69 SRAM
LANL	W85	128	на пенсии	Першинг II
LLNL	W48	MC1397	на пенсии	6.1" ядерная артиллерия ракушка	покрытие из бериллия, требует очистки перед длительным хранением
LLNL	W55	MC1324	на пенсии	СУБРОК УУМ-44 противолодочная ракета	покрытые бериллием?
LLNL	W56	MC1801	на пенсии	Минитмен I, Минитмен II	высокая радиация, перед длительным хранением требуется очистка
LLNL	W68	MC1978	на пенсии	УГМ-73 Посейдон БРПЛ
LLNL	W70 -0	MC2381	на пенсии	MGM-52 Копье
LLNL	W70 -1	MC2381a	на пенсии	MGM-52 Копье
LLNL	W70 -2	MC2381b	на пенсии	MGM-52 Копье
LLNL	W70 -3	MC2381c	на пенсии	MGM-52 Копье, усиленное излучение
LLNL	W71	?	на пенсии	LIM-49 Спартанский противоракетная ракета	требуют очистки перед длительным хранением
LLNL	W79	MC2574	на пенсии	8" ядерная артиллерия ракушка	покрытые бериллием?

Соображения безопасности

Защита стальных шариков

Одноточечный тест на безопасность

Первое вооружение имело съемные ямы, которые устанавливались в бомбу незадолго до ее развертывания. Продолжающийся процесс миниатюризации привел к изменениям конструкции, в результате чего яма могла быть вставлена на заводе во время сборки устройства. Это потребовало испытаний на безопасность, чтобы убедиться, что случайный взрыв взрывчатого вещества не вызовет полномасштабный ядерный взрыв; Проект 56 был одним из таких испытаний.

Случайная детонация большой мощности всегда вызывала беспокойство. Конструкция с левитирующей ямой делала практичным возможность в полете вставлять ямы в бомбы, отделяя делящуюся сердцевину от взрывчатых веществ вокруг нее. Много случаев случайных потерь бомбы и взрывов, таким образом, привело только к рассеянию урана от тампера бомбы. Однако более поздние конструкции с полыми ямами, когда между ямой и трамбовкой не было места, сделали это невозможным.

Ямы более раннего оружия имели доступные внутренние полости. За безопасность, предметы вставлялись в яму и удалялись только при необходимости. Некоторые ямы большего размера, например британский Зеленая трава внутренняя полость была облицована резиной и заполнена металлическими шарами; эта конструкция была импровизирована и далека от оптимальной, например, в том, что защищенная яма с шарами внутри подвергалась вибрации, например в самолете, может привести к его повреждению. Тонкая металлическая цепочка из нейтронопоглощающего материала (такая же, как в реакторе стержни управления, например кадмий ), можно использовать вместо него. В W47 Яма боеголовки была заполнена кадмиевымбор проволока при ее изготовлении; при включении оружия провод был вытянут на катушку небольшим мотором и не мог быть вставлен повторно. Однако проволока имела тенденцию становиться хрупкой и ломаться во время удаления, что делало невозможным ее полное удаление и превращало боеголовку в неисправную.^[23]

Переход от сплошных карьеров к полым вызвал проблемы с безопасностью работы; большее отношение поверхности к массе привело к сравнительно большему излучению гамма-лучей и потребовало установки лучшей радиационной защиты на производственном объекте Rocky Flats. Увеличенное количество требуемых прокаток и механической обработки привело к более высокому расходу машинного масла и тетрахлорметан, которые впоследствии используются для обезжиривания деталей и образования большого количества загрязненных отходов. В пирофорный стружка плутония также представляла опасность самовоспламенения.^[24]

Герметичные ямы требуют другого метода защиты. Используются многие техники, в том числе Ссылки на разрешающие действия^[25] и сильное звено слабое звено системы, рассчитанные на отказ в случае аварии или неправильной последовательности постановки на охрану; к ним относятся механические блокировки, критические детали, предназначенные для выхода из строя в случае пожара или удара, и т. д.

Облицовка из бериллия технически выгодна, но представляет опасность для работников оружейного завода. Обработка гильз тамперов дает бериллий и оксид бериллия пыль; его вдыхание может вызвать бериллиоз. К 1996 году Министерство энергетики США выявило более 50 случаев хронического бериллиоза среди сотрудников атомной промышленности, в том числе три десятка на заводе в Рокки Флэтс; несколько человек погибли.^[16]

После 1966 Крушение Palomares B-52 и 1968 крушение B-52 авиабазы Туле, безопасность оружия от случайного рассеивания плутония стала проблемой американских военных.

Огнеупорные ямы (FRP) являются элементом безопасности современного ядерного оружия, уменьшая рассеивание плутония в случае пожара. Существующие ямы предназначены для хранения расплавленного плутония при температуре до 1000 ° C, приблизительной температуре горящего авиационного топлива, в течение нескольких часов.^[26] Огнестойкие ямы не помогут в случаях, когда ямы рассыпаны взрывом; поэтому они используются вместе с нечувствительные взрывчатые вещества, которые должны быть устойчивы к случайной детонации от удара или огня, а также к неразорвавшимся порохам при использовании в ракетах. Облицовка из ванадия была протестирована для проектирования огнеупорных ям, но неизвестно, используется она или только экспериментальная. В W87 Боеголовка является примером сборки из FRP.^[27] Однако стеклопластик не обеспечивает защиты, если облицовка ямы механически повреждена, и может выйти из строя, если подвергнется возгоранию ракетного топлива, которое имеет более высокую температуру горения (около 2000 ° C), чем авиационное топливо.^[28]^[29] Жесткие ограничения по весу и размеру могут препятствовать использованию как FRP, так и нечувствительных взрывчатых веществ.^[30] БРПЛ, с учетом их размеров и более энергичного и уязвимого топлива, как правило, менее безопасны, чем МБР.^[31]

Другой энергетические материалы в непосредственной близости от ямы также влияет на ее безопасность. Ракетное топливо США делится на два основных класса. Класс 1.3, пожарная опасность, но взорвать очень трудно или невозможно; пример 70% перхлорат аммония, 16% алюминий и 14% связующего. Класс 1.1 по пожарной и детонационной опасности является двухосновное топливо на основе сшитый полимер, содержащий 52% HMX, 18% нитроглицерин, 18% алюминия, 4% перхлората аммония и 8% связующего. Пропеллент 1.1 имеет на 4% больший удельный импульс (примерно 270 с по сравнению с 260 с), что дает на 8% больший диапазон при постоянном времени горения. Нечувствительные фугасные взрывчатые вещества также менее мощны, что требует более крупных и тяжелых боеголовок, что снижает дальность действия ракеты или снижает мощность. Компромисс между безопасностью и производительностью особенно важен, например, для подводные лодки.^[29] По состоянию на 1990 г. Трезубец БРПЛ использовали как детонирующее топливо, так и нечувствительные взрывчатые вещества.^[32]

Существенные соображения

Литье, а затем механическая обработка плутония затруднены не только из-за его токсичности, но и из-за того, что плутоний имеет много различных свойств. металлические фазы, также известный как аллотропы. Когда плутоний охлаждается, изменения фазы приводят к искажению и растрескиванию. Это искажение обычно преодолевается легированием 3–3,5 мол.% (0,9–1,0% по весу). галлий, образуя плутоний-галлиевый сплав, что заставляет его принимать свою дельта-фазу в широком диапазоне температур.^[33] При охлаждении из расплава он претерпевает только одно фазовое изменение от эпсилон на дельта вместо четырех изменений, через которые он в противном случае прошел бы. Другой трехвалентный металлы тоже подойдут, но галлий имеет небольшой нейтрон сечение поглощения и помогает защитить плутоний от коррозия. Недостатком является то, что соединения галлия сами по себе являются коррозионными, и поэтому, если плутоний извлекается из демонтированного оружия для преобразования в диоксид плутония за энергетические реакторы, существует трудность удаления галлия.

Поскольку плутоний химически активен, обычно покрывают законченную яму тонким слоем инертного металла, что также снижает токсичность.^[34] Гаджет применено гальваническое серебряное покрытие; после, никель депонировано из тетракарбонил никеля пары использовались,^[34] но золото теперь предпочтительнее.^{[нужна цитата ]}

Чтобы произвести первые ямы, горячее прессование был использован для оптимального использования дефицитного плутония. Использовались более поздние конструкции обработанный ямы, но превращение производит большое количество отходов, как пирофорный повороты плутония и загрязненных плутонием масел и смазочно-охлаждающие жидкости. Цель на будущее прямая Кастинг ямы. Однако в отсутствие ядерных испытаний несколько различающаяся природа литых и обработанных поверхностей может затруднить предсказание различий в характеристиках.^[35]

Проблемы с коррозией

И уран, и плутоний очень чувствительны к коррозия. Ряд проблемных W47 UGM-27 Polaris боеголовки пришлось заменить после того, как во время текущего обслуживания была обнаружена коррозия делящегося материала. В W58 ямы также пострадали от коррозии.^[36] В W45 яма была подвержена коррозии, которая могла изменить ее геометрию.^[37] В Зеленая трава яма также была подвержена коррозии. Радиоактивность используемых материалов также может вызывать радиационная коррозия в окружающих материалах. Плутоний очень чувствителен к влажности; влажный воздух увеличивает скорость коррозии примерно в 200 раз. Водород оказывает сильное каталитическое действие на коррозию; его присутствие может увеличить скорость коррозии на 13 порядков. Водород может образовываться из влаги и близлежащих органических материалов (например, пластмасс) посредством радиолиз. Эти факторы вызывают проблемы с хранением плутония. Увеличение объема при окислении может вызвать разрыв емкостей для хранения или деформацию ямок.^[38]

Загрязнение ямы дейтерием и тритием, будь то случайное или если оно заполнено по конструкции, может вызвать гидридную коррозию, которая проявляется в виде точечная коррозия и рост поверхностного покрытия пирофорный гидрид плутония. Это также значительно увеличивает скорость коррозии кислородом воздуха.^[17] Дейтерий и тритий также вызывают хрупкость водорода во многих материалах.

Неправильное хранение может вызвать коррозию ямок. Контейнеры AL-R8, используемые в Пантекс Считается, что сооружение для хранения ям способствует, а не препятствует коррозии, и имеет тенденцию к коррозии. Выделяемое ямами тепло распада также вызывает беспокойство; некоторые ямы при хранении могут достигать температуры 150 ° C, а хранилища для большего количества ям могут потребовать активного охлаждения. Контроль влажности также может создавать проблемы при хранении в ямах.^[39]

Облицовка из бериллия может подвергаться коррозии под действием некоторых растворителей, используемых для очистки ямок. Исследования показали, что трихлорэтилен (TCE) вызывает коррозию бериллия, а трихлорэтан (TCA) нет.^[40] Точечная коррозия бериллиевой оболочки представляет серьезную проблему при длительном хранении ям в Пантекс средство.

Проблемы изотопного состава

Наличие плутоний-240 в яме материал вызывает повышенное производство тепла и нейтронов, снижает эффективность деления и увеличивает риск преддетонации и шипеть. Оружейный ранг поэтому плутоний имеет содержание плутония-240 не более 7%. Сверхчистый плутоний содержит менее 4% изотопа 240 и используется в системах, где радиоактивность является проблемой, например в ВМС США оружие, которое должно делить замкнутые пространства на кораблях и подводных лодках с экипажами.

Плутоний-241, обычно содержащий около 0,5% оружейного плутония, распадается до америций-241, что является мощным гамма-излучение эмиттер. Спустя несколько лет америций накапливается в металлическом плутонии, что приводит к увеличению гамма-активности, что создает профессиональную опасность для рабочих. Поэтому америций следует отделять, обычно химически, от вновь произведенного и переработанного плутония.^[18] Однако примерно в 1967 г. Завод Скалистых Квартир остановили это разделение, вместо этого смешав до 80% старых америцийсодержащих карьеров непосредственно в литейный цех, чтобы снизить затраты и повысить производительность; это привело к более высокому воздействию гамма-излучения на рабочих.^[24]

Проблемы старения

Металлический плутоний, особенно в виде плутоний-галлиевого сплава, разлагается главным образом за счет двух механизмов: коррозии и самооблучения.

В очень сухом воздухе плутоний, несмотря на свою высокую химическую активность, образует пассивирующий слой оксид плутония (IV) это замедляет коррозию примерно до 200 нанометров в год. Однако во влажном воздухе этот пассивирующий слой разрушается, и коррозия протекает с 200-кратной скоростью (0,04 мм / год) при комнатной температуре и в 100000 раз быстрее (20 мм / год) при 100 ° C. Плутоний отделяет воду от кислорода, поглощает выделившийся водород и образует гидрид плутония. Слой гидрида может расти со скоростью до 20 см / час, для более тонких оболочек его образование можно считать практически мгновенным. В присутствии воды диоксид плутония становится гиперстехиометрическим, вплоть до PuO_2.26. Плутониевая стружка может самовоспламеняться; механизм включает образование Pu₂О₃ слой, который затем быстро окисляется до PuO₂, а выделяемого тепла достаточно для доведения мелких частиц с низкой тепловой массой до температуры самовоспламенения (около 500 ° C).

Самооблучение происходит по мере того, как плутоний подвергается альфа-распад. Распадающийся атом плутоний-239 освобождает альфа-частица и уран-235 ядро. Альфа-частица имеет энергию более 5 МэВ а в металлической решетке имеет диапазон около 10 микрометров; затем он останавливается, получает два электрона от соседних атомов и становится гелий атом. Загрязнитель плутоний-241 бета-распады к америций-241, который затем альфа-распадается до нептуний-237.

Альфа-частицы теряют большую часть своей энергии на электроны, что проявляется в нагревании материала. Более тяжелое ядро урана имеет энергию около 85 кэВ, и около трех четвертей ее депонируется в виде каскада атомных смещений; само ядро урана имеет размер решетки около 12 нанометров. Каждое такое событие распада влияет на около 20000 других атомов, 90% из которых остаются в узле своей решетки и только термически возбуждаются, а остальные смещаются, в результате чего образуется около 2500 атомов. Пары Френкеля и локальный тепловой всплеск продолжительностью несколько пикосекунд, в течение которого вновь образованные дефекты рекомбинируют или мигрируют. В типичном объемном материале оружейного качества каждый атом смещается в среднем один раз в 10 лет.

При криогенных температурах, когда отжиг практически не происходит, α-фаза плутония расширяется (набухает) во время самооблучения, δ-фаза заметно сокращается, а β-фаза слегка сокращается. Повышается электрическое сопротивление, что свидетельствует об увеличении дефектов решетки. Все три фазы за достаточное время переходят в аморфноподобное состояние со средней плотностью 18,4 г / см.³. Однако при нормальной температуре большая часть повреждений отжигается; более 200К вакансий становятся мобильными, а примерно при 400К кластеры межузельных и вакансий рекомбинируют, залечивая повреждения. Плутоний, хранящийся при некриогенных температурах, не показывает признаков серьезных макроскопических структурных изменений по прошествии более 40 лет.

После 50 лет хранения типичный образец содержит 2000 частей на миллион гелия, 3700 частей на миллион америция, 1700 частей на миллион урана и 300 частей на миллион нептуния. В одном килограмме материала содержится 200 см³ гелия, что равняется трем атмосферам давления в том же пустом объеме. Гелий мигрирует по решетке подобно вакансиям и может в них захватываться. Вакансии, занятые гелием, могут сливаться, образуя пузыри и вызывая набухание. Однако набухание пустот более вероятно, чем набухание пузырей.^[41]

Производство и инспекции

В Система радиационной идентификации входит в число методов, разработанных для инспекций ядерного оружия. Он позволяет снимать отпечатки пальцев с ядерного оружия, чтобы можно было проверить его личность и статус. Используются различные методы физики, в том числе гамма-спектроскопия с высоким разрешением германий детекторы. Линия 870,7 кэВ в спектре, соответствующая первому возбужденному состоянию кислород-17, указывает на наличие оксид плутония (IV) в образце. Возраст плутония можно установить, измерив соотношение плутоний-241 и продукт его распада, америций-241.^[42] Однако даже пассивные измерения гамма-спектров могут быть спорным вопросом при международных инспекциях оружия, поскольку они позволяют охарактеризовать используемые материалы, например изотопный состав плутония, который можно считать секретом.

В период с 1954 по 1989 год ямы для американского оружия производились на заводе Завод Скалистых Квартир; Позже завод был закрыт из-за многочисленных проблем с безопасностью. В Департамент энергетики пыталась возобновить добычу на карьере, но неоднократно терпела неудачу. В 1993 году Министерство энергетики переехало бериллий производственные операции от несуществующего завода Rocky Flats Plant до Лос-Аламосская национальная лаборатория; в 1996 году сюда же было перенесено карьерное производство.^[43] Резервные и избыточные ямы, а также ямы, извлеченные из разобранного ядерного оружия, всего более 12000 единиц, хранятся в Пантекс растение.^[17] 5000 из них, содержащие около 15 тонн плутония, определены как стратегические резервы; остальное - излишки, подлежащие изъятию.^[44] Однако текущая добыча новых карьеров LANL ограничена примерно 20 карьерами в год. NNSA добивается увеличения производства для Надежная замена боеголовки программа. Однако Конгресс США неоднократно отказывался от финансирования.

Примерно до 2010 года Лос-Аламосская национальная лаборатория могла производить от 10 до 20 питов в год. В Центр замены исследований химии и металлургии (CMMR) расширит эту возможность, но неизвестно насколько. An Институт оборонного анализа В отчете, написанном до 2008 года, предполагалось, что «будущая потребность в добыче на карьерах составит 125 в год на CMRR с возможностью всплеска в 200».^[45]

Россия хранит материал из выведенных из эксплуатации карьеров в Маяк средство.^[46]

Переработка ямы

Извлечение плутония из выведенных из эксплуатации карьеров может быть достигнуто множеством способов, как механических (например, снятие оболочки с помощью токарный станок ) и хим. Обычно используется гидридный метод; яма разрезается пополам, половина ямы закладывается изнутри вниз над воронкой и тиглем в герметичном аппарате, и в пространство впрыскивается некоторое количество водорода. Водород реагирует с плутонием, производя гидрид плутония, который попадает в воронку и тигель, где плавится, выделяя водород. Плутоний также можно превратить в нитрид или оксид. Таким способом можно удалить практически весь плутоний из карьера. Процесс осложняется большим разнообразием конструкций и составов сплавов карьеров, а также наличием композитных уран-плутониевых карьеров. Плутоний оружейного качества также должен быть смешан с другими материалами, чтобы изменить его изотопный состав настолько, чтобы препятствовать его повторному использованию в оружии.