Курсовые
Черчение

Теплоэнергетика

Электротехника
Карта

Первые атомные бомбы - Little Boy и Fat Man


    В ходе создания атомного оружия в рамках манхэттенского проекта одновременно велись работы по созданию двух ядерных бомб - урановой и плутониевой.

Little Boy & Fat Man 

Обозначение

Mk-I "Little Boy"Mk-III "Fat Man"

Ширина

0.7 м

1.5 м

Длина

3 м

3.2 м

Масса

4 т

4.63 т

Заряд

15-16 кт
урановый

21 кт
плутониевый

 После проведения испытания первого ядерного заряда "Gadget" (прототипа плутониевой бомбы "Толстяк" - FatMan) следующим, готовым к применению был урановый "Малыш" (LittleBoy). Именно он и оказался сброшенным на Хиросиму 6 августа 1945. Изготовление еще одного "Малыша" потребовало бы месяцев накопления урана, поэтому второй сброшенной бомбой стал "Толстяк", собранный на острове Тиниан незадолго до своего использования.
Little Boy перед применениемFat Man перед применением
    Первоначальная сборка Fat man'а происходила на базе ВМФ Солтвеллс, Калифорния. Окончательная же досборка и установка плутониевого ядра была произведена на острове Тиниан (Tinian), в Тихом океане, где и завершилась постройка первого боевого плутониевого заряда. Второй после Хиросимы удар изначально должен был бы быть нанесен по Кокуре (Kokura), через несколько дней после первой атаки, однако из-за погодных условий бомбардировке подвергся город Нагасаки.
Fat Man в СолтвеллсеFat Man на о-ве Тиниан

Урановая атомная бомба Little Boy.

    Урановый заряд в бомбе состоит из двух частей: мишени и снаряда. Снаряд диаметром 10 и длинной 16 сантиметров представляет собой набор из шести урановых колец. В нем содержится около 25.6 кг - 40% всего урана. Кольца в снаряде поддерживаются диском из карбида вольфрама и стальными пластинами и находятся внутри стального корпуса. Мишень имеет массу 38.46 кг и сделана в форме полого цилиндра диаметром 16 см и длиной 16 см. Конструктивно она выполнена в виде двух отдельных половинок. Мишень вмонтирована в корпус, служащий отражателем нейтронов. В принципе, использованное в бомбе количество урана дает критическую массу и без отражателя, однако его наличие, как и изготовление снаряда из более обогащенного урана (89% U-235) чем мишень(~80% U-235), позволяет увеличить мощность заряда.
урановое ядро Little Boy
    Процесс обогащения урана происходил в 3 этапа. Вначале на термодиффузионной установке происходило обогащение природной руды (0.72% урана) до 1-1.5%. Далее следовали газовая диффузионная установка и последняя стадия - электромагнитный сепаратор, на котором уже производилось разделение изотопов урана. Для производства "малыша" потребовалось 64 кг обогащенного урана, что составляет ~2.5 критические массы. К лету 1945 года было накоплено около 50 кг 89%-ного U-235 и 14 кг 50%-ного. В итоге, общая концентрация составила ~80%. Если сравнить эти показатели с плутониевым ядром, масса Pu-239 в котором составила всего ~6 килограммов, содержащих в себе примерно 5 критических масс, становится виден главный недостаток урановго проекта: трудность обеспечения высокой надкритичности делящегося вещества, вследствие чего низкую эффективность оружия.
    Для предотвращения случайного возникновения цепной реакции в мишени содержится боровая заглушка, а снаряд вложен в боровую оболочку. Бор является хорошим поглотителем нейтронов, таким образом увеличивается безопасность при перевозке и хранении снаряженного боеприпаса. Когда снаряд достигает цели, его оболчка отлетает, а заглушка в мишени выбрасывается из нее.
    Собранная оболочка бомбы состоит из корпуса из карбида вольфрама (служащим отражателем нейтронов), окруженного стальной рубашкой диаметром примерно 60 см. Общая масса такой конструкции - около 2.3 т. В просверленное в рубашке отверстие установлен карбидный корпус, в который вмонтирована мишень. В днище этого отверстия могут находится один или несколько бериллиево-полониевых инициаторов. Ствол, по которому перемещается урановый снаряд прочно крепится на резьбе к стальному корпусу мишени, механизм Little Boy
позаимствован он от 75-мм зенитного орудия и расточен по размеру снаряда до 100 мм. Длина ствола составляет примерно 2 м, масса - 450 кг, а казенной части - 34 кг. В качестве метательного взрывчатого вещества используется бездымный порох. Скорость движения снаряда в стволе достигает около 300 м/с, для приведения его в движение требуется действие силы не менее 300 кН.
    Little Boy был чрезвычайно небезопасной в хранении и транспортировке бомбой. Детонация, пусть даже и случайная, метательного взрывчатого вещества (приводящего в движение снаряд), вызывает ядерный взрыв. По этой причине воздушный наблюдатель и специалист по вооружению С. Парсонс принял решение загрузить порох в бомбу только после взлета. Впрочем, при достаточно сильном ударе при падении снаряд может прийти в движение и без помощи пороха, что способно привести к взрыву от нескольких тонн до полной мощности. Little Boy представляет опасность и при попадании в воду. Уран, находящийся внутри - несколько критических масс в общей сложности, разделен воздухом. При попадании внутрь воды, она может сыграть роль посредника, приводя к цепной реакции. Это приведет к быстрому расплавлению или небольшому взрыву с выбросом большого количества радиоактивных веществ.

Сборка и применение Little Boy.

Первые компоненты снаряда были закончены в Лос-Аламосе 15 июня 1945, полностью же они были изготовлены к 3 июля.
14 Июля Little Boy и урановый снаряд к нему были отгружены на судно "Индианаполис" и 16 числа отправились на о. Тиниан, Марианские о-ва. Корабль прибыл на остров 26 июля.
24 Июля было закончено изготовление мишени для бомбы и 26-го эти компоненты были отправлены тремя самолетами C-54 из Альбукерке и прибыли на Тиниан 28-го.
31 Июля мишень со снарядом установлены внутрь бомбы. Ядерная атака намечена на следующий день, 1 августа, но приближающийся тайфун заставил перенести операцию на 5 дней.
5 Августа бомба загружается в B-29 №82 "Enola Gay".
6 Августа:
00:00 Последнее совещание, цель - Хиросима. Пилот - Тиббетс (Tibbets), 2-й пилот - Льюис (Lewis).
02:45 Бомбардировщик взлетает.
07:30 Бомба полностью готова к сбросу.
08:50 Самолет летит над японским островом Сикоку.
09:16:02 Little Boy взрывается на высоте 580 м. Мощность взрыва: 12-18 кт, по поздним оценкам - 15 кт (+/- 20%).
    При такой мощности взрыва та высота, на которой он был подорван, оптимальна для давления ударной волны 12 psi (фунтов/квадратный дюйм), т.е. для максимизации области, подвергнутой давлению 12 psi или большему. Для разрушения зданий города достаточно давления в 5 psi, чему соответствует высота ~860, таким образом, при установки такой высоты жертвы и разрушения могли бы быть еще большими. Из-за неясности в определении мощности и большого количества причин, могущих вызвать уменьшение мощности взрыва высота выбиралась умеренно низкой, как в случае с маленьким по силе зарядом. Высота в 580 м оптимальна для взрыва в 5 кт.

Плутониевая атомная бомба Fat Man.

    Ядро бомбы представляет собой набор вложенных друг в друга сфер. Здесь они перечисляются в порядке вложенности, приведены размеры для внешних радиусов сфер:
  • взрывчатая оболочка - 65 см,
  • "толкатель"/поглотитель нейтронов - 23 см,
  • урановый корпус/отражатель нейтронов - 11.5 см,
  • плутониевое ядро - 4.5 см,
  • бериллиево-полониевый нейтронный инициатор - 1 см.

ядро Fat Man

Нейтронный инициатор.

    Первая ступень - нейтронный инициатор, называемый также Урчин (Urchin), представляет собой бериллиевую сферическую оболочку, диаметром 2 см и толщиной 0.6 см. Внутри нее находится бериллиевый вкладыш диаметром 0.8 см. Общий вес конструкции составляет около 7 граммов. На внутренней поверхности оболочки проделано 15 клиновидных щелей, глубиной 2.09 мм. Сама оболочка получена горячим прессованием в атмосфере карбонильного никеля, поверхность ее и внутренней сферы покрыта слоем никеля и золота. На внутренней сфере и щелях в оболочке осаждено 50 кюри полония-210 (11 мг). Слои золота и никеля предохраняют бериллий от альфа-частиц, испускаемых полонием либо окружающим инициатор плутонием. Инициатор закреплен на кронштейне внутри полости диаметром 2.5 см в плутониевом ядре.
    Урчин активизируется при достижении ударной волны центра заряда. Когда ударная волна достигает стенок внутренней полости в плутонии, ударная волна из испарившегося плутония воздействует на инициатор, сминая щели с полонием и создавая эффект Манро (Munroe) - сильные струи вещества, которые быстро смешивают полоний и бериллий из внешней и внутренней сфер. Альфа-частицы, испускаемые Po-210, поглощаются атомами бериллия, которые в свою очередь и испускают нейтроны.

Плутониевый заряд.

    Девятисантиметровая сфера, с полостью в центре размером 2.5 см для нейтронного инициатора. Данную форму заряда предложил Роберт Кристи (Robert Christy) для уменьшения ассиметрии и нестабильности при имплозии.
    Плутоний в ядре стабилизирован в дельта-фазе с низкой плотностью (плотность 15.9) при помощи сплавления его с 3% галлия по количеству вещества (0.8% по массе). Преимущества использования дельта-фазы по сравнению с более плотной альфа-фазой (плотность 19.2) состоят в том, что дельта-фаза ковкая и податливая, в то время как альфа-фаза ломкая и хрупкая, кроме того, стабилизация плутония в дельта-фазе позволяет избежать усадки при охлаждении и деформации заготовки после литья или горячей обработки. Может показаться, что использование для ядра материала с более низкой плотностью может быть невыгодным, так как применение более плотного материала предпочтительнее из-за повышения эффективности и снижения количества требуемого плутония, но это оказывается не совсем так. Дельта-стабилизированный плутоний подвергается переходу в альфа-фазу при относительно низком давлении в десятки тысяч атмосфер. Давление в несколько миллионов атмосфер, возникающее при имплозионном взрыве совершает этот переход наряду с остальными явлениями, возникающими при таком сжатии. Таким образом, с плутонием в дельта-фазе происходит большее увеличение плотности и больший ввод реактивности, чем это происходило бы в случае с плотной альфа-фазой.
плутониевые заготовки, используемые в ядре Fat Man'а
    Ядро собрано из двух полусфер, вероятно первоначально отлитых в заготовки, а затем обработанных при помощи горячего прессования в атмосфере карбонильного никеля. Так как плутоний химически очень активный метал, а, кроме того, представляющий опасность для жизни, каждая полусфера покрыта слоем никеля (либо серебра, как сообщалось для ядра Gadget'а). Это покрытие создало неприятность с ядром Gadget'а, так как быстрое гальванопокрытие плутония никелем (или серебром) привело к образованию раковин в металле и непригодности его к использованию в ядре. Бережная шлифовка и наслаивание слоев золота восстановили полученные полусферами дефекты. Тем не менее, тонкая золотая прослойка (около 0.1 мм толщиной) между полусферами была в любом случае необходимой частью проекта, служащая для предотвращения преждевременного проникновения струй ударной волны между полусферами, что могло бы преждевременно активизировать нейтронный инициатор.

Урановый корпус/отражатель нейтронов.

    Плутониевый заряд окружен корпусом из природного урана массой 120 кг и диаметром 23 см. Этот корпус образует семи сантиметровый слой вокруг плутония. Толщина урана обусловлена задачей сохранения нейтронов, так, слоя в несколько сантиметров достаточно для обеспечения торможения нейтронов. Более толстый корпус (превышающий по толщине 10 см) дополнительно обеспечивает значительное сохранение нейтронов для всей конструкции, однако, эффект "временного поглощения" присущий быстрым, экспоненциально развивающимся цепным реакциям уменьшает выгоды от использования более толстого отражателя.
    Около 20% энергии бомбы выделяется за счет быстрого деления уранового корпуса. Ядро и корпус образуют вместе минимально подкритическую систему. Когда при помощи имплозионного взрыва происходит сжатие сборки до 2.5 раз по сравнению с обычной плотностью, ядро начинает содержать около четырех-пяти критических масс.

"Толкатель"/поглотитель нейтронов.

    Окружающий уран слой алюминия, толщиной 11.5 см весит 120 кг. Основное назначение этой сферы, называемой "толкателем", состоит в уменьшении действия тейлоровой волны, быстрого понижения давления, происходящего позади детонационного фронта. Эта волна имеет тенденцию возрастать при имплозии, вызывая все более и более быстрое падение давления при схождении детонационного фронта в одну точку. Частичное отражение ударной волны происходящее на границе раздела взрывчатка (композиция "Б")/алюминий (вследствие различия плотностей: 1.65/2.71) отправляет вторичный фронт обратно во взрывчатку, подавляя тейлорову волну. Это усиливает давление прошедшей волны, увеличивая сжатие в центре ядра.
    Алюминиевый "толкатель" содержит в себе и долю бора. Так как сам по себе бор хрупкое неметаллическое вещество, трудное в применении, весьма вероятно, что он содержится в форме удобного в обработке сплава с алюминием, называемого боракс (35-50% бора). Хоть общая его доля в оболочке невелика, бор играет роль поглотителя нейтронов, предотвращая попадание обратно в плутониево-урановую сборку вылетающих оттуда нейтронов, замедлившихся в алюминии и взрывчатке до тепловых скоростей.

Взрывчатая оболочка и детонационная система.

    Взрывчатая оболочка представляет собой слой бризантного взрывчатого вещества. Ее толщина около 47 см, а масса по меньшей мере 2500 кг. Эта система содержит 32 взрывные линзы, 20 из которых шестиугольные, а 12 - пятиугольные. Линзы соединяются вместе по образцу футбольного мяча, образуя сферическую взрывчатую сборку, около 130 см диаметром. Каждая имеет 3 части: две из них сделаны из взрывчатого вещества (ВВ) с большой скоростью детонации, одна - с низкой. Самая крайняя часть быстродетонирующего ВВ имеет конусообразное углубление, заполненное ВВ с низкой скоростью детонации. Эти сопряженные части формируют действующую линзу, способную создавать круглую, растущую ударную волну, направленную в центр. Внутренняя сторона быстродетонирующего ВВ почти что покрывает алюминиевую сферу для усиления сходящегося удара.
    Линзы изготавливались точным литьем, так что взрывчатка должна была быть расплавлена перед использованием. Основным быстродетонирующим ВВ была "композиция Б", смесь 60% гексагена (RDX) - очень быстродетонирующее, но плохо плавящееся бризантное ВВ, 39% тротила (TNT) - хорошо взрывающееся и легко плавящееся ВВ и 1% воска. "Медленным" ВВ был баратол - смесь тротила и нитрата бария (доля тола обычно 25-33%) с 1% воска в качестве связующего вещества.
    Состав и плотность линз точно контролировались и оставались неизменными. Линзовая система подгонялась с очень малым допуском, так что ее части соединялись друг с другом с точностью менее 1 мм, для избежания неоднородностей в ударной волне, но выравнивание поверхности линз было даже более важно, чем подгонка их друг к другу.
    Для получения очень точной синхронизации детонаторов, у стандартных детонаторов отсутствовали комбинации первичных/вторичных ВВ и имелись электрически нагреваемые проводники. Эти проводники представляют собой отрезки тонкой проволоки, которые моментально испаряются от броска тока, полученного от мощного конденсатора. Происходит подрыв взрывчатого вещества детонатора. Разряд конденсаторной батареи и испарение проволоки у всех детонаторов может быть произведено практически одномоментно - разница составляет +/-10 наносекунд. Обратная сторона такой системы - необходимость в больших батареях, высоковольтном источнике питания и мощного банка конденсаторов (называемого X-Unit, около 200 кг весом), предназначенных для одновременного срабатывания 32 детонаторов.
    Готовая взрывчатая оболочка помещается в корпус из дюралюминия. Конструкция корпуса состояла из центрального пояса, собранного из 5 обработанных дюралевых отливок, и верхней и нижней полусфер, образующих законченную оболочку.

Конечная стадия сборки.

    Финальный проект бомбы предусматривает особую "крышку", через которую в конце закладываются делящиеся материалы. Заряд может быть изготовлен целиком, за исключением вставки плутония с инициатором. В целях безопастности, сборка завершается непосредственно перед практическим применением. Удаляется дюралевая полусфера вместе с одной из взрывных линз. Нейтронный инициатор устанавливается между плутониевыми полусферами и крепится внутри 40-килограмового уранового цилиндра и, затем, вся эта конструкция вкладывается внутрь уранового отражателя. Линза возвращается на свое место, к ней подключается детонатор, сверху прикручивается на свое место крышка.
    Fat Man представлял серьезную опасность в плане доставки и хранения в готовом к использованию состоянии, правда, даже в самом наихудшем случае опасность была все же меньшая, чем у Little Boy. Критическая масса ядра с урановым отражателем составляет 7.5 кг плутония для дельта-фазы, и только 5.5 кг для альфа-фазы. Любая случайная детонация взрывной оболочки может приводить к сжатию 6.2-килограмового ядра Fat Man'а в надкритическую альфа-фазу. Предполагаемая мощность взрыва от такого несанкционированного срабатывания заряда будет составлять от десятков тонн (грубо говоря на порядок больше, чем заряд взрывчатки в бомбе) до пары-другой сотен тонн тротилового эквивалента. Но главная опасность кроется от потока проникающей радиации во время взрыва. Гамма-лучи и нейтроны, могут стать причиной смерти или тяжелого заболевания намного дальше зоны распространения ударной волны. Так, небольшой ядерный взрыв в 20 тонн вызовет смертельную дозу облучения в 640 бэр на расстоянии 250 м.
    Перевозка Fat Man'а из соображений безопасности никогда не осуществлялась в полностью собранном виде, бомбы завершали непосредственно перед применением. В следствии сложности оружия на этот процесс требовалось по меньшей мере пара дней (с учетом промежуточных проверок). Собранная бомба не могла долго находится в работоспособном состоянии из-за разряда батарей X-Unit'а.
    Очертания боевой плутониевой бомбы в основном состоят из конструкции экспериментального Gadget'а, упакованного в стальную оболочку. Две половины стального эллипсоида крепятся к бандажу взрывной системы вместе с X-Unit'ом, батареями, предохранители и пусковая электроника размещены на передней стороне оболочки.
    Как и в Little Boy, высотным запалом в Fat Man'е служит радиолокационная дальномерная система "Атчис" (Archies - ее антенны можно видеть сбоку на фотографиях Little Boy'я). При достижении зарядом нужной высоты над землей (установлена на 1850+-100 футов) она выдает сигнал к детонации. Кроме него, бомба оснащена еще и барометрическим датчиком, предотвращающим взрыв выше 7000 футов.

Боевое применение плутониевой бомбы.

    Окончательная сборка Толстяка проходила на о. Тиниан.
26 Июля 1945 плутониевое ядро с инициатором отправлено на самолете C-54 с авиабазы Киртлэнд на Тиниан.
28 Июля ядро прибывает на остров. В этот день три B-29 отправляются из Киртлэнда на Тиниан с тремя предварительно собранными Fat Man'ами.
2 Августа - прибытие B-29. Дата бомбардировки определена как 11 августа, цель - арсенал в Кокуре. Не-ядерная часть первой бомбы оказалась готова к 5 августа.
7 Августа приходит прогноз о неблагоприятных для полета 11 числа метеоусловиях, дата полета сдвигается на 10, затем - на 9 августа. Из-за сдвига даты, ведутся ускоренные работы по сборки заряда.
8-го утром сборка Fat Man'а завершается, к 22:00 он загружен в B-29 "Block's Car".
9 Августа:
03:47 Самолет взлетает с Тиниана, цель определена как Кокурский арсенал. Пилот - Чарльз Свини (Charles Sweeney).
10:44 Время подлета к Кокуре, но цель невидна в условиях плохой видимости. Огонь зенитной артиллерии и появление японских истребителей вынуждают прекратить поиски и повернуть в сторону запасной цели - Нагасаки.
Над городом оказался слой облачности - как и над Кокурой, горючего оставалось только на один заход, поэтому бомба была сброшена в первый подходящий просвет в облаках в нескольких милях от назначенной цели.
11:02 Происходит взрыв на высоте 503 м вблизи границы города, мощность по данным измерений 1987 года - 21 кт. Несмотря на то, что взрыв произошел на границе населенной части города, число жертв превысило 70 000 человек. Были разрушены и оружейные производства Мицубиси.
 


Современное термоядерное оружие относится к стратегическому оружию, которое может применяться авиацией для разрушения в тылу противника важнейших промышленных, военных объектов, крупных городов как цивилизационных центров. Наиболее известным типом термоядерного оружия являются термоядерные (водородные) бомбы, которые могут доставляться к цели самолетами. Термоядерными зарядами могут начиняться также боевые части ракет различного назначения, в том числе межконтинентальных баллистических ракет. Впервые подобная ракета была испытана в СССР еще в 1957 году, в настоящее время на вооружения Ракетных Войск Стратегического Назначения состоят ракеты нескольких типов, базирующиеся на мобильных пусковых установках, в шахтных пусковых установках, на подводных лодках.

Боевой железнодорожный ракетный комплекс (БЖРК)