Курсовые
Черчение

Теплоэнергетика

Электротехника
Карта

Операция Castle, 1954 атолл Бикини, атолл Эневейтак.



 
    Операция Castle - это серия испытаний мощных термоядерных проектов. Со времени первой проверки схемы Теллера-Улама в операции Ivy (эксперимент Ivy Mike), оба ядерных центра (в Лос-Аламосе и Калифорнии) приступили к спешной разработке более компактных зарядов, которые возможно применять в боевых условиях. Новые устройства использовали ряд новых концепций - одна из них - использование в качестве термоядерного топлива дейтерида лития, показавшего свою чрезвычайную эффективность, намного превзошедшее ожидания. Первоначально в график испытаний входило устройство EC-16 "JUGHEAD" (поставленная на вооружение версия криогенной системы Sausage). Но после успеха устройства SHRIMP с дейтеридом лития, EC-16 моментально устарел и не тестировался.
    В операцию включались экспериментальные образцы зарядов, не предназначенные для немедленного развертывания, однако для "крайнего случая" создавалось три типа устройств, развернутых несмотря на отсутствие их испытаний. Одним из них был уже упомянутый выше EC-16, построенный в количестве 5 шт. Другим - EC-17 - серийная версия устройства Runt I, создано которых тоже 5 шт. Третьим - первая поставляемая бомба с твердым термоядерным горючим TX-14, изготовлены так же в количестве 5 шт.
    Важным фактором при планировании сроков операции оказалось доступность изотопа лития Li6. Американская термоядерная программа вышла из тупика благодаря идее Теллера и Улама в начале 1951, и не предполагала использование этого вида топлива. В этом плане впереди оказались советские ученые, использовавшие дейтерид лития-6 в первой советской термоядерная бомбе ("Слойка"). "Слойку" испытали в августе 1953, в это время американское предприятие по выделению лития-6 только запускалось. Из-за этого в Castle имелись заряды как с частично обогащенному по Li6 термоядерному топливу, так и не обогащенному вовсе.  

Испытание:

Castle Bravo

Время:

18:45:00.0 28 Февраля 1954 (GMT)
06:45:00.0 1 Марта 1954 (мест. время)

Место:

Искусственный остров на рифе в 885 м от о-ва Nam ("Charlie"), атолл Бикини

Тип взрыва:

на поверхности

Заряд:

15 Мт

    Устройство "Shrimp" было двухступенчатым зарядом с твердым термоядерным топливом - дейтеридом лития. Содержание изотопа Li6 - около 40%. Такое горючие применялось в США впервые, и впервые в мире в двухступенчатом устройстве. Поэтому мощность взрыва сильно превысила ожидаемую: предсказывались 6 Мт в диапазоне 4-8 Мт, при этом действительный выход энергии превысил оценочный в 2.5 раза - составил 15 Мт.
    Конструкционно "Shrimp" представлял собой уменьшенную версию Runt'а, испытанного в Castle Romeo, зато имеющий частично обогащенное по литию-6 горючее. Масса - 10.5 т, 450 см длина и 135 см диаметр. Литиевое топливо находилось в оболочке из природного урана, 10 Мт выделилось при ее делении и 5 Мт от реакции синтеза. Внешний корпус сделан алюминиевом, вместо стального, примененного в Sausage (Ivy Mike). В качестве первичного пускового заряда (триггера) был установлен RACER IV с термоядерным усилением.
    Причина неожиданно высокой мощности состояла в "тритиевой добавке", получаемой от Li7, составляющего большую часть лития. Ожидалось, что данный изотоп будет достаточно инертным, но в действительности он имеет достаточный радиус поглощения для быстрых нейтронов, производимых тритиево-дейтериевым синтезом. При поглощении такого нейтрона атом Li7 разделяется на тритий и гелий.
Li7 + n -> T + He4 + n - 2.47 MeV
Тритий же в свою очередь является превосходным термоядерным горючим, будучи крайне реакционоспособным и выделяя при синтезе много энергии.
D + T -> He4 + n + 17.588 MeV
Таким образом и получилось более чем 2-х кратное усиление мощности.
    Кратер от взрыва получился 2 км в диаметре и глубиной 75 м. За 3 секунды огненный шар вырос до 5.5 км в диаметре. В течении минуты грибовидное облако достигло высоты 15 км, поднявшись до 30 км двумя минутами позднее. За 6 минут облако взлетело до 40 км, через 8 минут после взрыва гриб достиг максимального размера в 20 км в диаметре, со стволом толщиной в 7 км, нижний его край начинался на высоте 16.5 км.
    Castle Bravo вызвал крупнейшее в США радиоактивное заражение прилегающих территорий и облучение местных жителей.
Уровень радиации в рентгенах после взрыва
Вследствии неудачного откладывания времени испытания и изменения погодных условий, совмествившихся с неожиданно высокой мощностью, жители Маршалловых островов - атоллов Rongerik, Rongelap, Ailinginae и Utirik получили дозу облучения. Они были эвакуированы до 3 марта, причем 64 человека получили 175 рентген. Экипаж японского судна "Пятый удачливый дракон" в количестве 23 человек получил дозу в 300 Р. На самом атолле Бикини радиация достигала очень высокого уровня, в результате чего многие из персонала получили высокое дозы. Люди в специально укрепленном наблюдательном бункере на острове Nan оказались заблокированными в нем на некоторое время, пока фон не упал до 250 р/час. После этого испытания зона отчуждения вокруг атолла была расширена до 2 000 000 квадратных километров, круга в диаметре 800 км.
    На базе Shrimp'а создана бомба Mk-21. Работы над ней начались уже через три недели после испытания. Проект выработался к середине июля 1955, с зарядом 4 Мт (впоследствии испытанным в Redwing Navajo 11 июля 1956, 95% энергии за счет синтеза, 4.5 Мт). Серийное производство Mk-21 началось в декабре 1955, закончилось в июле 1956. Общая серия - 275 штук. В июне-ноябре 1957 все Mk-21 переделаны в Mk-36.

ShrimpУстройство Shrimp
Ангар и островАнгар, в котором помещался Shrimp
BravoBravoBravo
 

Испытание:

Castle Romeo

Время:

18:30:00.4 26 March 1954 (GMT)
06:30:00.4 27 March 1954 (мест. время)

Место:

На барже, над кратером от Bravo

Тип взрыва:

на поверхности (4 м высоты)

Заряд:

11 Мт

    Как и в случае с Bravo, выделившаяся мощность далеко - в три раза - превысила первоначальные ожидания. Первоначально для данного устройства, Runt I, устанавливался заряд в 4 Мт (с вариациями от 1.5 до 7 Мт). Такой большой допуск для мощности (1.5-7) свидетельствует о крайней неопределенности в ожидаемом выходе энергии. Причина этого заключалась в применении в качестве термоядерного горючего дейтерида лития с дешевым и доступным природным литием (содержание Li6 - 7.5%). Первоначально при составлении графика испытаний, в октябре 1953, вообще не планировалось проводить испытание этого устройства. Решение было принято для изучения применимости данного вида топлива.
    "Термоядерные" результаты Bravo - уменьшенного Runt с частично обогащенным литиевым горючим - привели к удвоению ожидаемого диапазона до 8 - 15 Мт. 7 Мт выделялось за счет деления урановой оболочки.
    Испытание устройства Runt I было контрольным испытанием проекта бомбы Mk-17 (развернутой в арсенале как оружие на "крайний случай" под кодом EC-17 в течении месяца).
    Romeo был первым тестом, произведенным на барже - поскольку такие ядерные взрывы оставляли обширные дыры в атолле - это стало обязательным для исполнения, иначе программа испытаний уничтожила бы все острова.
    Масса Runt I 17 820 кг, длина 560 см, диаметр 155 см.
RomeoRomeoRomeo
 

Испытание:

Castle Koon

Время:

18:20:00.4 6 Апреля 1954 (GMT)
06:20:00.4 7 Апреля 1954 (мест. время)

Место:

Остров Eninman, атолл Бикини

Тип взрыва:

на поверхности (3 м высоты)

Заряд:

110 кт

    Испытываемое в эксперименте Koon изделие "Morgenstern" было первой термоядерной разработкой UCRL и последним оружейным проектом, над которым непосредственно работал Эдвард Теллер. Испытание было неудачным - из 1 мегатонны, планированной мощности, реализовалось лишь 110 кт, причем только 10 кт за счет термоядерных реакций, 100 кт - за счет деления урановой оболочки пускового заряда.
    Проект устройства предусматривал более общую компоновку, нежели созданные в Лос-Аламосе, и должен был поднять новую главу в создании оружия. Диагностика показала неожиданно большое время между срабатыванием первичного пускового заряда и расжиганием термоядерной реакции. По сообщениям, это произошло из-за простого прокола в дизайне - нейтронный поток от пускового заряда достиг второй ступени, предварительно разогрев ее, и таким образом, помешав ее эффективному обжатию. Остальные изделия, испытанные в Castle, содержали бор-10, служащий хорошим поглотителем нейтронов и снижающим этот эффект предварительного разогрева термоядерного топлива. Как бы то ни было, этот провал привел к отмене испытания криогенного близнеца Morgenstern'а - Ramrod.
    Кратер составил 330 м в диаметре и 20 м глубиной.
KoonKoon
 

Испытание:

Castle Union

Время:

18:10:00.7 25 Апреля 1954 (GMT)
06:10:00.7 26 Апреля 1954 (мест. время)

Место:

На барже, атолл Бикини

Тип взрыва:

на поверхности (4 м высоты)

Заряд:

6.9 Мт

    Устройство "Alarm Clock" было прототипом бомбы EC-14, уже находящейся на вооружении США. Это оружие использовало дейтерид лития, с обогащением по литию-6 до 95%. На то время такое термоядерное горючие было очень дорогим и дефицитным, что ограничило количество EC-14 пятью экземплярами.
    Масса изделия - 12 465 кг, длина 377 см, диаметр 155 см. 5 Мт (72.5%) образовались за счет деления урана. Взрыв оставил на дне лагуны кратер 100 м шириной и 30 м глубиной.
Union
 

Испытание:

Castle Yankee

Время:

18:10:00.1 4 Мая 1954 (GMT)
06:10:00.1 5 Мая 1954 (мест. время)

Место:

На барже, атолл Бикини

Тип взрыва:

на поверхности (4 м высоты)

Заряд:

13.5 Мт

    Испытываемый заряд назывался Runt II, являлся прототипом для бомб TX/EC-24 и близнецом Runt I - TX/EC-17. Оба проекта имеют одинаковые корпуса и внешний вид. Принципиальное отличие их заключается в типе термоядерного горючего. В то время как в Runt I находится природный литий (7.5% Li6), в Runt II используется частично обогащенное по Li6 топливо (~40%, такое же как и в Shrimp).
    Включение в график испытания этого заряда произошло из-за чрезвычайного успеха Castle Romeo и исключения из него Ramrod'а с Jughead'ом (первого после неудачи Castle Koon, второго - из-за устаревания криогенных термоядерных систем).
    Масса Runt II 17 820 кг, длина 562 см, диаметр 152 см.
    Как можно ожидать от топлива, в котором при делении лития энергия не поглощается,
Li6 + n -> T + He4 + 4.78 MeV вместо Li7 + n -> T + He4 + n - 2.47 MeV а выделяется, мощность Runt II превзошла Runt I. Его ожидаемая мощность - 9.5 Мт (диапазон 7.5 - 15 Мт), фактическая - 13.5 Мт. Замена горючего увеличила заряд на 2.5 Мт, с 4 до 6.5 Мт, полностью за счет реакций синтеза. Доля реакций деления, как и для Romeo, составила 7 Мт.
 

Испытание:

Castle Nectar

Время:

18:20:00.4 13 Мая 1954 (GMT)
06:20:00.4 14 Мая 1954 (мест. время)

Место:

На барже, атолл Бикини

Тип взрыва:

на поверхности (4 м высоты)

Заряд:

1.69 Мт

    Изделие "Zombie" представляло собой прототип облегченного термоядерного заряда TX-15. Эта бомба была промежуточным проектом между атомными и классическими термоядерными зарядами. Первоначально Zombie разрабатывалось как атомная бомба с обжатием излучением, по концепции Станислава Улама, в которой один атомный заряд сжимает второй. Ее мощность планировалась в диапазоне сотен килотон. Идея сделать внешний корпус второй ступени из обогащенного урана, вместо природного была сохранена, и проект развился до включения термоядерного горючего (дейтерида лития и тритий) для усиления мощности.
    В итоге получилась радиационно обжимаемая атомная бомба с термоядерным усилением. Разница между нею и остальными двухступенчатыми зарядами, испытанными в операции Castle, заключалась в менее строгих требованиях к сжатию второй ступени. Остальные термоядерные системы нуждались в сверхвысоком сжатии термоядерного топлива для достижения экстремально высоких плотностей, так что быстрая реакция синтеза могла произойти лишь тогда, когда "запальная свеча", из делящегося материала, в центре подожжет его. Хотя большая часть энергии в Zombie выделялась при делении, это скоростное деление, происходящее от нейтронов, получающихся в ходе синтеза. Конструкция Zombie становилась надкритической при гораздо меньших требованиях к степени сжатия - из-за использования высокообогащенного урана в оболочке второй ступени. Выделение энергии при проходящей цепной реакции деления разогревало всю систему до термоядерных температур и горючее внутри, вследствие сильного нагрева, взрывалось без сильной компрессии.
    Это изделие было дороже остальных устройств, задействованных в Castle, поскольку в нем содержался обогащенный уран, литий и тритий. Но оно было легче и компактнее любого другого - масса 2930 кг, длина 275 см, диаметр 85 см.
    Мощность взрыва оказалась очень близка к расчетной, разница составила 6%. Почти вся энергия (80% - 1.35 Мт) произведена делением урана.

Первоначальный график испытаний (январь 1954)

Тест

Устройство/
Назначение

Прогнозир. заряд & Диапазон

Исследоват. центр

Место

Дата

Bravo

SHRIMP
TX-21 прототип

6 Мт (4-8 Мт)

LASL

Атолл Бикини - на рифе 885 м юго-западнее о-ва Namu

1 Марта

Union

ALARM CLOCK
EC-14 контрольное испытание

3-4 Мт (1-6 Мт)

LASL

Бикини - на барже в лагуне, поблизости от о-ва Yurochi

11 Марта

Yankee

JUGHEAD
EC-16 контрольное испытание

8 Мт (6-10 Мт)

LASL

Бикини - на барже, на месте Union'а

22 Марта

Echo

RAMROD
криогенный эксперимент

125 кт (65-275 кт)

UCRL

Энивейтак - о-в Eberiru

29 Марта

Nectar

ZOMBIE
TX-15 контрольное испытание

1.8 Мт (1-2.5 Мт)

LASL

Бикини - на барже, на месте Union'а

5 Апреля

Romeo

RUNT
EC-17 proof test

4 Мт (1.5-7 Мт)

LASL

Бикини - на барже, на месте Union'а

15 Апреля

Koon

MORGENSTERN
Solid-fuel experiment

1 Мт (1/3-2.5 Мт)

UCRL

Бикини - о-в Eninman

22 Апреля

Новый график испытаний, скорректированный после Castle Bravo

Тест

Устройство

Первонач. предск. заряд/Диапазон

После Bravo предсказываемый заряд/Диапазон

Фактический заряд

Bravo

SHRIMP

6 Мт (4-8 Мт)

-

15 Мт

Romeo

RUNT I

4 Мт (1.5-7 Мт)

8 Мт (1.5-15 Мт)

11 Мт

Union

ALARM CLOCK

3-4 Мт (1-6 Мт)

5-10 Мт (1-18 Мт)

6.9 Мт

Koon

MORGENSTERN

1 Мт (0.33-2.5 Мт)

1.5 Мт (0.33-4 Мт)

110 кт

Yankee (I)

JUGHEAD

8 Мт (6-10 Мт)

-

Отменен (после Bravo)

Yankee (II)

RUNT II

-

9.5 Мт (7.5-15 Мт)

13.5 Мт

Echo

RAMROD

125 кт (65-275 кт)

-

Отменен (после Koon)

Nectar

ZOMBIE

1.8 Мт (1-2.5 Мт)

2-3 Мт (1-5 Мт)

1.69 Мт

Итоги операции Castle

Тест

Устройство/
Назначение

Заряд

Отклонение от
первоначальной величины

Выход от реакций деления
(процентов от общего выхода)

Дата

Bravo

SHRIMP
TX-21 прототип

15 Мт

+150%

10 Мт (66.7%)

1 Марта

Romeo

RUNT
EC-17 контрольное испытание

11 Мт

+175%

7 Мт (63.6%)

27 Марта

Koon

MORGENSTERN
эксперимент с твердым горючим

110 кт

-89%

100 кт (90.9%)

7 Апреля

Union

ALARM CLOCK
EC-14 контрольное испытание

6.9 Мт

+73% to +130%

5 Мт (72.5%)

26 Апреля

Yankee

Runt II
EC-24 контрольное испытание

13.5 Мт

+42% (предсказание после Bravo)

7 Мт (51.9%)

5 Мая

Nectar

ZOMBIE
TX-15 контрольное испытание

1.69 Мт

-6.1%

1.35 Мт (79.9%)

14 Мая


 

Ударная волна в воздухе образуется за счет колоссальной энергии, выделяемой в зоне реакции, где исключительно высокая температура, а давление достигает миллиардов атмосфер. Сжатие и перемещение воздуха происходит от одного слоя к другому во все стороны от центра взрыва, образуя воздушную ударную волну. Вблизи центра взрыва скорость распространения ударной волны в несколько раз превышает скорость звука в воздухе. С увеличением расстояния от места взрыва скорость распространения волны быстро падает, а ударная волна ослабевает; на больших удалениях ударная волна переходит, по-существу, в обычную акустическую волну и скорость ее распространения приближается к скорости звука в окружающей среде, т. е. к 340 м/с.

Боевой железнодорожный ракетный комплекс (БЖРК)