Pommi A

Pommi , joka tunnetaan yleisesti nimellä atomipommi , fissio pommi tai ydinpommin , on räjähde, jossa energia saadaan ydinfission on kriittinen massa on fissioituvien elementtejä , kuten uraani 235 tai plutonium 239 . Sen prosessi kuului ranskalaisen patentin 971-324 piiriin vuosina 1939-1959.

Fissiopommit olivat ensimmäisiä ydinaseita, jotka kehitettiin. se on myös kriittisen halkeamismassan räjähdys, joka sallii H-pommin syttymisen nykyaikaisissa laitteissa.

Vuonna historiassa ydinaseiden , se on tähän mennessä ainoa pommi, jota on käytetty ristiriidassa. Aikana toisen maailmansodan , kaksi A-pommia, nimeltään Poika ( uraani ) ja Fat Man ( plutonium ) vastaavasti käytti Yhdysvaltain armeijan ja pommi Hiroshiman ja Nagasakin vuonna elokuu 1945 .

Kriittisen massan muodostuminen

Kriittinen massa ja neutronit

Hajoavan materiaalin massaa pidetään kriittisenä, kun se kykenee ylläpitämään ketjureaktiota , ottaen huomioon materiaalin koko, muoto, puhtaus ja isotooppinen koostumus .

Kriittisyyden numeerinen mittari on neutronikerroinkerroin k = f - l , jossa f on keskimääräinen kunkin atomifissioiden vapauttamien neutronien lukumäärä ja l on menetettyjen neutronien keskimääräinen lukumäärä joko siksi, että ne pakenevat järjestelmästä tai koska muut atomit sieppaavat ne tuottamatta fissiota. Kun k = 1, massan sanotaan olevan kriittinen, kun k <1 massa on alikriittinen ja kun k > 1, massan sanotaan olevan superkriittinen.

Kriittinen massa on pallon puhdasta (valvomaton) materiaali ilman heijastinta on noin viisikymmentä kilogrammaa uraani 235 ja kymmenen kilogrammaa plutonium 239 . Jos halkeamiskelpoisen materiaalin ympärille asetetaan pinnoite, joka palauttaa osan neutronista sitä kohti ( neutroniheijastin ), kriittistä massaa voidaan vähentää. Vastaavasti, jos tämä halkeamiskelpoinen materiaali puristuu ohimenevästi suurella tekijällä ( ulkoisen räjähdyksen aiheuttaman iskuaallon vaikutuksesta ), myös kriittistä massaa voidaan vähentää.

Jotta reaktio ei käynnisty milloin tahansa, halkeamiskelpoiselle materiaalille annetaan muoto, joka helpottaa neutronien poistumista: jakautuminen kahteen osaan tai ontto pallo, jolla on siten suurempi pinta. Tällä tavoin kriittistä massaa ei saavuteta, joten ei ole riskiä ketjureaktion käynnistymisestä toivomatta. Räjähdys laukaistaan, kun kaikki halkeamiskelpoisen materiaalin osat yhtyvät yhtäkkiä sopivassa muodossa ja saavuttavat siten ylikriittisen massan.

Kriittisen kokoonpanon merkitys

Ilmeisistä turvallisuussyistä atomipommin halkeamiskykyiset elementit pidetään alikriittisessä muodossa tahattoman ydinräjähdyksen estämiseksi. Juuri ennen pommin laukaisua asetetut turvatoimet poistetaan kriittisen muodon saavuttamisen estämiseksi. pommin sanotaan sitten olevan aseistettu.

Atomipommissa on tärkeää, että halkeamiskykyiset elementit tuodaan yhteen mahdollisimman nopeasti. Itse asiassa käytetyt halkeamiskomponentit ovat myös radioaktiivisia ja luovuttavat luonnollisesti neutroneja. Tämän vuoksi ydinfissioreaktio voi alkaa ennen kuin kaikilla halkeamiskelpoisilla materiaaleilla on paras kokoonpano. Sitten räjähdyksen teho pienenee, koska tuloksena oleva pieni räjähdys hajottaisi loput halkeamiskelpoisesta materiaalista ennen kuin se voisi osallistua reaktioon.

On olemassa useita tekniikoita halkeamiskelpoisen materiaalin yhdistämiseksi ja siten ylikriittisen kokoonpanon saavuttamiseksi, mikä laukaisee ydinräjähdyksen. Voimme mainita kaksi tekniikkaa: lisäämällä ja imploosiolla.

Asennuskokoonpano

Yksinkertaisin tekniikka räjähdyksen aikaansaamiseksi on projektio halkeamiskelpoisen materiaalin lohko toista lohkoa vasten, joka on valmistettu samasta materiaalista, tai parempi, sylinterimäinen lohko onton lohkon sisällä. Tämä on lisäystekniikka, jota kutsutaan myös pistoolin tekniikaksi - tai tynnyriksi. Siten kriittiset olosuhteet saavutetaan ja ketjureaktio aloitetaan.

Fissioituvan materiaalin lohko heijastetaan käyttämällä erittäin voimakasta räjähdettä, jotta muoto saavutetaan nopeasti. Tämän tekniikan haittana on, että vaikka tämä muoto saavutetaan nopeasti (millisekunnin luokkaa), se ei riitä, että plutonium 239 , joka edelleen sisältää isotooppeja, erityisesti plutonium 240 , vapauttaa spontaanisti neutroneja, mikä käynnistää räjähdyksen ennenaikaisesti, juuri kun olosuhteet muuttuvat kriittisiksi. Tästä syystä lisäystekniikkaa käytetään vain uraani 235 -pommeihin .

Pommi pudonnut Hiroshiman , pikkupoika , käyttänyt tätä tekniikkaa. Se, että tätä tekniikkaa käytettiin ilman ennakkotestausta (toisin kuin Nagasakissa käytetty räjähdystyyppi ), osoittaa kuinka luotettava tämä toimintatapa on ja kuinka helppoa se on hallita.

Lisäpommin arkkitehtuuri (pieni poika)
  1. Tukijalat
  2. Hännän kartio
  3. Ilmanottoaukko
  4. Paineen sytytin
  5. Lyijysäiliö (suoja)
  6. Räjäytysvarsi
  7. Sytyttimen pää
  8. Räjähtävä varaus ( kordiitti )
  9. Uraani 235-ammuksen
  10. Tynnyrisylinteri
  11. Uranium 235 -kohde, jossa on astia, neutroniheijastin on sen yläosassa
  12. Telemetriamittapäät (korkeusmittari)
  13. Pommin virityssulakkeet (asetettu vähän ennen vapauttamista)

Räjähdyskokoonpano

Imposiointitekniikka on monimutkaisempi toteuttaa. Se koostuu onttoon palloon järjestetyn halkeamismateriaalin kokoamisesta yhteen ja sitten puristamisesta sen tiheyden lisäämiseksi ja siten ylikriittisen muodon saavuttamiseksi, mikä laukaisee ydinfissioreaktion ja siten räjähdyksen.

Sen toteutus on erittäin herkkä: halkeamiskelpoinen materiaali puristetaan käyttämällä erittäin voimakkaita räjähteitä, jotka on järjestetty ympäri. Mutta näiden räjähteiden räjähdys laukaistaan ​​joukolla räjähteitä, jotka on synkronoitava tiukasti. Lisäksi jokainen räjähdys pyrkii luomaan pallomaisen iskuaallon , joka on keskitetty sytyttimeen. Meidän on kuitenkin saatava iskuaalto, joka päättyy samanaikaisesti fissiomateriaalin kaikissa ulkoisissa pisteissä, jonka voimme kuvitella ontona pallona. Näiden iskuaaltojen on deformoituttava siirtyäkseen ulkopuolelta keskittyneistä palloista yhteisen keskuksen palloon. Tämä saavutetaan käyttämällä räjähteitä, joiden iskuaalto kulkee eri nopeuksilla, mikä johtaa sen muodonmuutokseen. Näiden räjähteiden muotojen työstö on sen vuoksi tehtävä tarkasti.

Samanlainen ongelma syntyy plutoniumilla, joka voi saada useita tiloja ( vaiheita ), joilla on erilaiset mekaaniset ominaisuudet, ja jolla on siten taipumus muuttua heterogeeniseksi, mikä johtaisi iskuaallon muodonmuutokseen. Tämä korjataan, kuten rautametallurgiassa - jossa yleinen lisäaine on hiili - lisäämällä pieniä määriä toista alkuaineita, usein galliumia .

Imposioinnin tekniikka mahdollistaa ylikriittisen järjestelyn saavuttamisen paljon nopeammin kuin insertiolla. Räjähdyksessä viive on luokkaa 2 - 3 mikrosekuntia, mikä on noin sata kertaa nopeampi kuin lisäämällä. Tämä tekniikka mahdollistaa plutonium 239: n käytön halkeamiskelpoisena materiaalina. Räjähdystekniikka on myös turvallisempi, koska kriittinen konfiguraatio voidaan saavuttaa vain silloin, kun käytetään tavanomaista räjähdystarviketta, eikä yksinkertaisesti siirtämällä metallikappaletta kuten työntöjärjestelmässä.

Tehokkuutta ja / tai kriittistä massaa voidaan edelleen parantaa sijoittamalla räjähteen ja halkeamiskelpoisen materiaalin väliin erilaisia ​​kerroksia, joilla voi olla joko mekaaninen vaikutus hitautensa kautta tai levittämällä iskuaalto ajan myötä (pidentäen siten räjähdystä), tai hitaasti neutronien menetys (kriittistä massaa pienentävä neutroniheijastin).

Historian ensimmäinen atomipommi, Gadget , ja kolmas, Fat Man , sisälsi plutoniumia ja käytti räjähdystekniikkaa.

Kriittisen massan räjähdys

Siirtyminen ylikriittiseen kokoonpanoon

Jos kriittisen massan läsnäolo riittää ketjureaktion käynnistämiseen, se ei ole välttämättä räjähtävä: se ei ole ydinvoimalassa eikä kriittisen onnettomuuden aikana . Tärkein tekninen ongelma, joka on ratkaistava räjähdyksen tehokkuuden varmistamiseksi, on pitää halkeamiskelpoinen materiaali ylikriittisessä kokoonpanossa riittävän kauan, jotta huomattava osa sen massasta olisi hajonnut ja tuottanut energiaa.

Atomiräjähdyksen aikaansaamiseksi ketjureaktio on käynnistettävä halkeamiskelpoisessa materiaalissa, jotta vapaat neutronit voivat lisääntyä eksponentiaalisesti aiheuttaen sen siirtymisen alikriittisestä konfiguraatiosta ( k = 0,9) erilliseen konfiguraatioon. Ylikriittinen (tyypillisesti) , k = 3). Sitten puhumme liian kriittisestä massasta.

Tätä varten sinulla on oltava riittävä määrä halkeamiskelpoista materiaalia, tämä on kriittinen massa ja mahdollisimman pienessä muodossa pallo , jotta liian monta neutronia ei pääse poistumaan pinnan läpi. Atomipommissa halkeamiskelpoisen materiaalin määrän on oltava jopa suurempi kuin kriittinen massa, yleensä kolminkertainen.

Fissioreaktion evoluution luonnehtimiseksi käytämme "alfa" -kerrointa, joka määritellään neutronipopulaation eksponentiaalisen kasvun kertoimeksi, joka riippuu vain aineen geometriasta ja tilasta ja on siten olennaisesti vakio asteikkoalueella harkittu:

tai taas, dα / dt on merkityksetön:

Tämä kerroin on nolla kriittisyydessä, negatiivinen, jos kokoonpano ei ole kriittinen, ja sitäkin positiivisempi, mitä nopeampi ketjureaktio . Sillä on taajuuden ulottuvuus. Kun se on positiivinen, se on kääntäen verrannollinen neutronipopulaation kaksinkertaistumisaikaan.

Ainoat arvot, joihin kokeilu pääsi Manhattan-projektille, olivat ilmeisesti alle nopean kriittisyyden. Ekstrapoloimalla ylikriittisen kokoonpanon kohdetiheyksiin laskettu alfa oli 270 / us uraanikokoonpanolle ja 252 / us plutoniumyhdistelmälle; mikä edustaa kaksinkertaistumisaikaa 0,00257 - 0,00275  us .

Kukin fissio vapautuu noin 2,93 x 10 -11  J . Tuottaa fissiolla energiaa, joka vastaa 20  kt ja TNT , toisin sanoen 8,367 x 10 13  J , ketjureaktio on liityttävä noin 2,856 x 10 24  fissioita, siten järjestyksessä 281,2 . Jos kaksinkertaistumisaika on luokkaa 0,002 66  µs , koko energian vapautuminen kestää luokkaa 0,216  µs .

Reaktion aloittaminen

Tehokkaan räjähdyksen varmistamiseksi halkeamiskelpoista materiaalia on ylläpidettävä riittävän kauan ylikriittisessä kokoonpanossa. Ketjureaktion vapauttama energia pyrkii kuitenkin kuumentamaan ja levittämään kriittisen massan vähentäen sen kriittisyyttä. Siksi on välttämätöntä, että siirtyminen kriittisyyteen on riittävän äkillinen, jotta saavutettu kriittisyys on korkea, ja että halkeamismassan hitaus on riittävä, jotta se pysyy kriittisenä niin kauan kuin mahdollista ennen kuin lopullinen hajottaa räjähdyksessä.

Kun järjestelmä etenee kohti kohdetilaa, se on alikriittinen ja sitten vain kriittisen tilan läpi. Heti kun kriittisyys on saavutettu, ydinreaktiot voivat kehittyä eksponentiaalisesti, neutronien käynnistämänä käytetyn materiaalin spontaanista hajoamisesta , ja räjäyttää kokoonpanon ennen kuin se on saavuttanut optimaalisen tilansa. Tätä kutsutaan "esiräjähdykseksi".

Jotta tällaisen esiräjähdyksen todennäköisyys pysyisi alhaisena, todennäköisyyden, että yksittäinen neutroni voidaan päästää kriittiseen tilaan siirtymisen ja optimaalisen tilan välillä, on oltava vähäinen. Tätä varten koneen on oltava rakenteeltaan sellainen, että siirtymisaika maksimaalisen reaktiivisuuden tilaan on mahdollisimman lyhyt, ja käytetään halkeamiskelpoisia materiaaleja, joiden päästöt ovat vain alhaiset. Ydinräjähdyksen saavuttamiseksi halkeamiskelpoinen materiaali on saatettava optimaaliseen ylikriittiseen tilaansa hyvin nopeasti .

Mitä enemmän spontaania fissiota käytetyllä materiaalilla on , sitä nopeammin on vaihdettava ylikriittiseen toimintatilaan, niin että spontaanin fissiotapahtuman todennäköisyys ennen optimaalia on mahdollisimman pieni tai että spontaanin halkeamisen aiheuttama ketjureaktio ei ole aikaa kehittyä merkittävästi.

Kilogrammaa fissioituvaa ainetta kohti uraani 235 tuottaa 0,3 neutronia sekunnissa, plutonium 239 tuottaa 22, melkein sata kertaa enemmän; mutta ennen kaikkea Pu-239 sisältää aina murto-osan Pu-240: stä, joka tuottaa 920 neutronia grammaa kohden . Pu-240: n takia ei ole mahdollista valmistaa asetta sovittelulla käyttämällä halkeamiskelpoisena materiaalina plutoniumia : sovittelun edellyttämä aika on liian pitkä, jotta ase olisi luotettava. Tästä syystä myös plutonium 240 -tason on oltava niin alhainen kuin mahdollista niin kutsutulle ”sotilaallisen luokan” plutoniumille.

Toisaalta, jos sinulla on ase, jonka teho on ennustettavissa, ei ole mahdollista samanaikaisesti välttää esiräjähdystä ja odottaa spontaania käynnistystä: kokoonpano saavuttaa optimaalisen tilansa vain jonkin aikaa. ja todennäköisyys siitä, että pohjustus tapahtuu spontaanilla fissiolla juuri silloin, kun sitä tarvitaan, on jopa pienempi kuin esipohjustuksen.

Tästä syystä ydinaseissa on neutronien lähde , joka lähettää neutronipurskeen optimaalisella hetkellä aseen suunnittelun mukaan. Määrän neutronien ollessa molaarista jotta edustaa vastaa ~ 80 kaksinkertaistaa neutronien väestöstä, joka edustaa suurinta välinen marginaali kulku kriittisyyden ja aloittamisen luotettavan ase.

Ydinräjähdys

Kun kriittinen massa on saavutettu, ketjureaktio käynnistyy. Täydellisessä reaktiossa kukin halkeamiskelpoisen materiaalin ydin jakautuu kahteen kevyempään ytimeen ( fissiotuotteet ) ja vapauttaa lisäksi neutroneja . Nämä sitten iskevät muihin halkeamiskelpoisen materiaalin atomeihin, jotka puolestaan ​​vapauttavat neutroneja ja niin edelleen. Ketjureaktio laukaisee, ja materiaali tuottaa valtavaa energiaa verrattuna halkeamiskelpoisen materiaalin määrään. Atomipommissa kuitenkin vain pieni (joskus hyvin pieni) osa halkeamiskelpoisesta materiaalista kulutetaan ennen kuolemaansa. '' häviää räjähdys, mikä vähentää vastaavasti räjähdyksen tehoa halkeamiskelpoisen massan potentiaaliseen energiaan nähden.

Yhtä suurelle määrälle reagensseja fissioreaktion aikana vapautuva energia voi olla luokkaa sata miljoonaa kertaa suurempi kuin kemiallisen reaktion vapautama energia. Tämä energia muuttuu hyvin nopeasti lämmöksi jarruttamalla näitä fissiotuotteita ympäröivässä materiaalissa.

Doped pommi

Seostettu fission ase on eräänlainen ydinase , joka käyttää pieni määrä polttoainetta sulake , lisäämiseksi sen fissio nopeuden ja näin ollen teho. Eräässä H-pommi , voima ensisijainen vaiheessa, ja sen kyky aiheuttaa toissijainen räjähtää, kasvatetaan (terästetty) seos, jossa oli tritiumia , joka läpikäy ydinfuusioreaktio kanssa deuterium . Ajatus dopingista kehitettiin alun perin syksyn 1947 ja syksyn 1949 välillä Los Alamosissa . Toinen merkitys liittyy eräänlaiseen vanhentuneeseen yksivaiheiseen ydinpommiin, joka käyttää lämpöydinfuusiota suuressa mittakaavassa nopeasti neutronien luomiseen, köyhdytetyn uraanin fissioiden aikaansaamiseksi , mutta joka ei ole vetypommi kahdessa kerroksessa.

Doping perustuu seuraavaan reaktioon:

D + T → 4 Hän + n + 17,6  MeV (D ollessa 2 H deuteriumilla ydin , Ta 3 H tritium ydin , n neutroni ja p protoni )

Tämä reaktio (deuterium-tritiumfuusio) on suhteellisen helppo käynnistää, lämpötila ja puristusolosuhteet ovat fissioreaktion ulottuvilla. Sulamisreaktion nopeudesta tulee yleensä merkittävä 20-30 megakelviniä. Tämä lämpötila saavutetaan hyvin alhaisella hyötysuhteella, kun taas halkeamiskelpoisesta materiaalista alle 1% on murtunut (vastaa suuruusluokkaa muutama sata tonnia TNT: tä). Se ei sinänsä riitä käynnistämään ydinräjähdystä, mutta sitä voidaan käyttää reaktion tehostamiseen.

Muutama gramma deuteriumia ja tritiumia sijoitetaan halkeamiskelpoisen ytimen keskelle, jossa halkeamiskelpoisen massan räjähdys luo lämpötilan ja paineen olosuhteet, jotka ovat riittävät fuusion laukaisemiseksi. Itse fuusioprosessi lisää prosessiin vain pienen määrän energiaa, ehkä 1% . Fuusio luo ennen kaikkea suuren energian neutronien virtauksen .

Neutronit vapautuu fuusioreaktioita lisätään neutronien vapauttaa halkeamisprosessin syy lisääntynyt hallitsemattomuuden fissioreaktioille, sikäli kuin tämä virtaus neutronien saapuu samaan aikaan, kun ydin on edelleen erittäin yli-kriittinen. Neutronit lisäävät merkittävästi läsnä olevan halkeamiskelpoisen materiaalin, erittäin rikastetun plutoniumin tai uraanin palamisnopeutta . Tuotettujen neutronien energia on 14,1 MeV , mikä on riittävä aiheuttamaan U-238: n fissio. Fissioreaktioiden määrä kasvaa siten jyrkästi ennen kuin sydän todella räjähtää.  

Annettaessa käsitys dopingin tehokkuudesta, yhden moolin tritiumin ( 3  g ) ja yhden moolin deuteriumin ( 2  g ) fuusio (oletettavasti täydellinen) voidaan laukaista alle 1%: lla energian fissiosta ja tuottaa noin 1% fissioenergiasta. Mutta ennen kaikkea se tuottaa yhden moolin neutroneja ( 1  g ), jotka häviöt huomioimatta voivat murtaa yhden moolin ( 239  g ) plutoniumia suoraan, jolloin saadaan 4,6 moolia sekundäärisiä neutroneja, mikä puolestaan ​​murtaisi 4,6 muuta moolia. plutoniumia ( 1099  g ). Yhteensä 1,338  kg plutoniumin hajoaminen kahdessa sukupolvessa lisää 23  kilotonnia TNT: tä, joka vastaa ydinräjähdystä.

Tätä lähestymistapaa käytetään nykyaikaisissa aseissa riittävän tehon varmistamiseksi alkuvaiheessa, samalla kun sallitaan merkittävä koon ja painon sekä säteilyherkkyyden väheneminen. Lisäksi, seostettu fissiotuotteiden pommeja voi helpommin olla immuuni loistaudit neutronisäteilylle läheiseltä ydinräjäytykset.

Patentti

Pommi on keksintöpatentti, joka liittyy räjähteiden parantamiseen [1], joka on jätetty numerolla 971-3244. toukokuuta 1939jonka kansallinen tieteellisen tutkimuksen rahasto - työstä tehdyn Frédéric Joliot-Curie , Hans Halban ja Lew Kowarski . Kolme keksijää olivat selvästi piilottaneet patenttinsa olemassaolon saksalaisilta miehittäjiltä. Patentti joutui julkisuuteen vuonna 1959 .

Tähän lisätään neljä muuta vuosina 1939–1940 jätettyä patenttia, jotka liittyvät energiantuotantoon.

Nämä patentit ovat ansainneet vain vähän rojalteja niiden merkityksen vuoksi. Osa saaduista rahoista osoitetaan tieteelliseen tutkimukseen jakamalla avustuksia.

Yhdysvaltain hallitus valitsi Robert Oppenheimerin suorittamaan ja testaamaan ensimmäisen A-pommin.

Huomautuksia ja viitteitä

  1. (in) ydinpommien tyypit ja niiden valmistusvaikeudet - taulukko 1 - ydinräjähtävien nuklidien ominaisuudet
  2. (en) Ydinasearkisto (käytetty 23. helmikuuta 2012)
  3. Hans A. Bethe , "  Muistio lämpöydinohjelman historiasta  " , amerikkalaisten tutkijoiden federaatiosta , Chuck Hansen,28. toukokuuta 1952(katsottu 19. toukokuuta 2010 )
  4. (in) Richard E. Rowberg Clifford Lau, Department of Energy Tritiumin ohjelma 1997.
  5. "  Ydinasearkisto: 12.0 hyödyllistä taulukkoa  "
  6. (in) ydinaseettomasta suunnittelu , Federation of American Scientists
  7. C. Gilguy, "  Joliot-tiimin peruspatenttien historia  " , BIST,Huhtikuu 1963(katsottu 6. joulukuuta 2008 )

Liitteet

Bibliografia

Aiheeseen liittyvät artikkelit

Ulkoiset linkit