Первая и вторая идеи - РДС-6, третья (сжатие LiD рентгеновским излучением) впервые применена в революционной РДС-37.
Попробовал сформулировать эти мысли в более-менее связную лекцию, предварительный вариант получился таким:
1. Первая идея - сферическая имплозия. Основана на пропорциональности критмассы [{(p_плутония)^(1,2)}*{(p_отражателя)^(0,8)}] следовательно повышением плотности ядра ядерного заряда можно перевести его в сверхкритичное состояние, что создает резерв реактивности на выгорание. Повышение плотности основано на свойстве ударной волны, которая при движении в материале двигает материал (характеризуется фугасностью) и сжимает материал (характеризуется бризантностью). Первые конструкции использовали сферическую имплозию для максимальной экономии делящегося материала: критмасса сферы на 14% меньше критмассы цилиндра. Кроме того, сферическое схождение ударной волны позволяет повысить давление на ее фронте, что важно для повышения степени сжатия. Сферическая детонация требует электродетонаторов с синхронностью не менее 0,5 микросекунды и в количестве, определяемом числом вершин «идеальных тел Платона» у которых телесный угол между всеми вершинами одинаковый. Обычно для формирования сферической сходящейся ударной волны применялись 60 или 92 детонаторов, инициирующие каждый по одной баратоловой (v~2500 м/с) «линзе». Для одновременного включения детонаторов требовался высоковольтный конденсатор величиной с ведро, к нему – радиосхема высоковольтной зарядки и аккумулятор. Все эти многочисленные детали должны не выходить из строя в условиях МБР: вакуум, перегрузки десятки «g», многолетний предстартовый период хранения. Поэтому впоследствии стали делать цилиндрические имплозивные схемы в которых нету надобности в конденсаторах, аккумуляторах и достаточен 1 обычный детонатор.
2. Вторая идея – применение 6LiD и «слойка» в качестве простейшего варианта его использования. В крупном заряде работает и природный изотопный состав лития (7,5% Li6).
2.1. В изделии “Майк” (10 Мт) дейтерий был в сжиженном виде имеющем плотность около 140 килограмм на кубометр (0,14 плотности воды), для которого необходима сверхнизкая температура (20 кельвинов). Первоначально основная задача была в том, чтобы основную термоядерную взрывчатку – а это дейтерий поскольку высота кулоновского барьера пропорциональна произведению зарядов (т.е. атомных номеров) реагирующих ядер - поместить в изделие в виде твердого вещества. Для этого идеально подходит гидрид лития LiH, имеющий плотность 780 килограмм на кубометр. При замене водорода на дейтерий плотность 880 килограмм на кубометр, в том числе плотность дейтерия 200 килограмм на кубометр. В дейтерии идут равновероятные реакции:
D + D => He3 + n + 3,2 Mev
D + D => T + p + 4 Mev
Общая энергоемкость этих реакций 21,5 килотонна на килограмм.
2.2.При выгораниях дейтерия выше 1%, значимую интенсивность имеет и сгорание наработанного реакцией трития: D + T => He4 + n + 17,6 Mev.
При высоком выгорании энергоемкость дейтерия достигает 50 кт/кг.
Кроме того, реакция DT дает нейтроны с энергией 14 Мэв, при попадании их на уран-238 идут реакции (n,2n) с сечением 1,5 барна и реакция (n,f) с сечением до 1 барна. Поэтому уран-238 делится, нагревается, а также образуется U-237 распадающийся с периодом около недели в Np-237, по которому отличают водородный заряд от ядерного.
2.3. При обогащении лития 6-м изотопом, помимо собственно термоядерной реакции в дейтерии, идет и реакция на нейтронах:
Li6 + n => T + He4 + 4,8 Mev
..........D + T => He4 + n + 17,6 Mev
Во второй реакции выделяются нейтроны с энергией 14 Мэв. На этом основана идея «слойки», в которой чередуются сферические оболочки из урана-238 и 6LiD. Однако особая ценность такой схемы – в идее «сахаризации».
2.4. Принцип ионизационного сжатия: вспомним, концентрация частиц – это плотность материала деленная на массу отдельного ядра n = (p/m1). Для дейтерида лития и для урана они примерно одинаковы и равны 0,05*10^24 ядер в кубическом сантиметре. Однако даже в маломощном ядерном заряде вещество нагревается примерно до той температуры (см.лекцию 1) когда излучение перехватывает на себя основную объемную плотность энергии. При плотностях твердого вещества это около 20 миллионов градусов, т.е. 2 kev. При такой температуре ядра легких элементов ионизованы полностью, а степень ионизации урана в районе 60. Энергия в плазме распределяется между ионами и электронами: в результате суммарное число частиц в единице объема, засчет ионизовавшихся электронов,
в уране оказывается в [60/(3+1+1+1)] в 10 раз больше чем в LiD, во столько же раз выше давление в уране чем в LiD, урановая оболочка расширяется и сжимает LiD повышая в нем плотность и (по адиабате) температуру. Скорость реакции в дейтерии растет от обоих факторов – именно этого не хватало «трубе». Особо ценно, что происходит ионизационное сжатие на начальном этапе событий, когда выделившаяся энергия ограничена малым количеством килотонн зажигалки.
3. Третья идея – сжатие узла с LiD излучением (рентгеновским). Впервые она была применена в заряде РДС-37. Согласно уравнениям первой лекции, при высокой температуре основная энергия единицы объема содержится в рентгене имеющем планковский спектр: это спектр абсолютно-черного тела аналогично спектру электролампочки, только от высокой температуры частота кванта соответствует рентгеновским длинам волн. Электромагнитное излучение только в непрозрачной среде диффундирует медленно: поглощается, нагревает среду, переизлучается и так далее. В вакууме же или просто в прозрачной среде излучение движется со скоростью света и легко обгоняет как ударную волну от ядерного заряда, так и волну переноса нейтронов.
При этом вспомним: давление вещества равно – и по размерности, и численно – равно (2\3) от количества энергии в единице объема. Ведь давление измеряется в паскалях который есть ньютон на квадратный метр, то есть pressure=(F/S). Теперь домножаем числитель и знаменатель на метры: pressure=(F*x/S*x) и получается в числителе по определению Джоули, в знаменателе – кубометры. Поэтому размерность давления (паскаль) и количества энергии в единице объема (джоуль/кубометр) одинаковы. Далее, в теорфизике доказывается, что давление излучения равно (1/3) от его объемной плотности энергии, независимо от длины волны квантов. Поэтому когда основная энергия в объеме содержится в излучении, оно оказывает огромное давление на стенку вещества. Давление распределяется на глубине 1 свободного пробега излучения в веществе,
L=1/(s*n) = 1/(kappa*p) поэтому рентген выпущенный из ядерного заряда, свободно без нагрева проскакивает LiD, пластмассу, обычную взрывчатку и давит на вторую ступень имеющую толстую (3 см) оболочку из тяжелых атомов (урана или свинца).
К третьей идее можно прийти следующим образом: допустим, ставится задача энергией ядерного взрыва нагреть LiD до температуры когда термоядерные реакции идут ощутимо интенсивно. Помня что 1 эв = 11605 градусов кельвина, 1 эв = 1,6*10^-19 Джоуля, 1 кг ТЭ = 4,2*10^6 Джоуля, считаем сколько потребуется энергии чтобы нагреть 1 кубический сантиметр:
согласно модели идеального газа, каждая частица имеет энергию E=(3/2)*k*T в котором k- постоянная больцмана k=R/Na = 8,314/6*10^23 =1,38*10^-23 а требуемую температуру считаем равной самому минимуму: Т= 2 кэв = 20.000.000 градусов. Считаем требуемую энергию, учитывая что до нее надо разограть n=(p/m1)=(p*Na/A) частиц в каждом кубическом сантиметре.
Кроме того, из-за ионизации надо разгонять помимо D и Li6, еще и 4 их электрона итого 6 частиц.
Концентрация дейтерия в LiD составляет 6*10^22 в кубическом сантиметре, всех частиц 3,6*10^23. Cчитаем: E(volume=1) = (3/2)*n*k*T = 1,5*(3,6*10^23)*(1,38*10^-23)*20000000 = 150*10^6 = 35 кг ТЭ на куб.см. Значит для нагрева 1 кубометра потребуется 35 килотонн на нагрев вещества, еще столько же – на излучение в единице объема, и сколько-то улетит из объема. Итого: минимальная энергия зажигалки 100 килотонн.
Но дело в том, что величина сечения в дейтерии говорит о том что в рассмотренных условиях нагревать надо не 1 кубометр а минимум 10,
и не до 2 кэв а минимум до 4 кэв когда в веществе 10% энергии единицы объема, и требуемая энергии зажигалки очень велика.
Поэтому изначально рассматривалась схема «трубы»: по аналогии с химическими детонирующими составами, хотели создать смесь в которой создав условия для реакции в небольшом объеме – по остальной части объема реакция распространилась бы сама, не требуя для инициирования энергии от зажигалки. Однако в термоядерной ударной волне, в отличие от химической описываемой теорией Чепмена-Жуге, энергия переносится не только веществом но и нейтронами и рентгеном. Именно поэтому столь много времени было потрачено на «трубу», и Уламом с Теллером, и в СССР, пока не убедились что устойчивого решения уравнения почти что не существует для задачи характеризующейся совокупностью трех волн – ударной волны в веществе, волн переноса нейтронов и переноса излучения.
Тогда и пришли к идее сжатия - выпущенным из урана235 излучением -холодного термоядерного узла с LiD в оболочке из U238, которая в отличие от пластмассы и обычной взрывчатки непрозрачна для рентгена энергии нескольких кэв. Заметили: несколькими процентами от той энергией, которая требуется для нагрева вещества до единиц кэв, можно сжать вещество повысив плотность в тысячи раз, и ускорить реакцию – поскольку для энергии Ферми электронов, равной единицы kev, соответствует плотность в сотни и тысячи раз превышающая обычную плотность твердого тела. Предположительно, ход рентгеновского излучения напоминает ход лучей в телескопах системы Максутова (разновидность телескопов с короткой трубой L=F/3) когда ядерный заряд и цилиндрический термоядерный узел с LiD в толстой внешней U238-оболочке находятся в фокусах внешнего корпуса из U238, выполненного в виде параболоида вращения. В идеале излучение ядерного заряда отражается боковой параболической стенкой внешнего корпуса и направляется вдоль цилиндрического корпуса к задней стенке термоядерного блока, в результате рентгеновское излучение обгоняет ударную волну, отражается противоположной стенкой внешнего корпуса на термоядерный блок и сжимает его со стороны, противоположной приходу основной ударной волны и потока нейтронов, приход которых начинает реакцию в термоядерном блоке – такова одна из рабочих гипотез которые имеет смысл посчитать. При желательности дальнейшего повышения энерговыделения, вся эта конструкция может играть роль заряда-инициатора второй ступени и находиться внутри нее, вторая – внутри внешней третьей.