Атомное оружие в 19 веке
Альтисторические развилки с сильно ранним атомным оружием обычно мало реальны - слишком много проблем с этим связано. Приведем, например, такую цитату
BUSTED
В недавние годы Муассан повторил старые опыты и применил свой метод получения металла путем восстановления зеленой окиси У. углем в электрической печи. Последний путь оказался наиболее простым: смесь из 500 г U3O8 и 40 г угля впрессовывается в угольный тигель и подвергается действию вольтовой дуги от тока в 800 ампер и 45 вольт в продолжение 7 - 8 минут; в результате около 350 г сплавленного металла, который почти не содержит углерода или даже совершенно свободен от него, но тогда может содержать некоторую примесь окислов У. Освободить У. от углерода удается путем продолжительного нагревания в тигле с набойкою, которая содержит U3O8; этот тигель помещают в другом тигле и, чтобы избежать возникновения азотистого У., засыпают его титанистым материалом.
...
Уран Муассана совершенно не годился для использования в качестве ядерного топлива .
Например в следствие значительного количества примесей .
В реальности было все не так просто и в СССР долго мучились с получением бездефектных отливок металлического урана нужной чистоты .
Для получения урановых отливок нужно иметь высокую чистоту исходных компонентов .
В промышленности получают металлический уран восстановлением очищенного тетра-фторида урана химически чистым магнием или кальцием в трубчатых реакторах-бомбах футерованных изнутри химически чистой окисью кальция или магния .
Получается урановая губка или при при более активном режиме восстановления металл плавится и стекает на дно бомбы .
Черновой металл надо обязательно переплавить .
И вдобавок сам по себе чистый металлический уран и нестоек и хрупок в следствие своеобразного кристаллического строения при низких температурах .
По этой причине уран легируют молибденом .
Черновой металл с добавками молибдена переплавляют под флюсом в графитовых тиглях .
Причем очень жестко нормируется содержание бора , кадмия , лития и редких земель , как в всех исходных компонентах , так и в графитовых тиглях и особенно в футеровке реактора-бомбы .
Уже в очищенном тетра-фториде урана содержание бора, кадмия, лития, редких земель не должно определятся даже спектральным анализом , а это значит ,что в металлическом ядерно-чистом уране содержание этих примесей ( кроме молибдена ) ,не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента.
Прочих примесей не более :0,04-0,12% Al, 0,02-0,04% Fe и 0,03-0,11% С либо 0,01-0,05% Fe и 0,01-0,03% Si;
Если реактор уран-графитовый , то высокие требования по чистоте относятся и к реакторному графиту .
Надо иметь содержание бора не более 1-5ррм .
В реакторном графите бор не должен обнаруживаться спектральным анализом .
Такой графит производится из нефтяного кокса путём его термообработки без доступа кислорода в печах .
Затем мелко размолотый продукт обрабатывается при высокой температуре хлором .
Потом порошок прессуют и спекают .
Графитовый реактор с воздушным охлаждением конвекцией работающий на природном уране должен иметь вид куба с ребром около 6,5 метра и содержать не меньше 75 тонн урановых отливок из ядерно-чистого сплава и 415 тонн ядерно-чистого графита .
...
У Ферми впрочем первым был реактор с металлическим ураном и очищенной эфирной экстракцией окисью урана и этот реактор с огромным трудом смог запуститься .
...
Можно ещё отделить уран от примесей путём многостадийной эфирной экстракции нитрата уранила.
На основе дискуссии http://fai.org.ru/forum/topic/35118-atomnoe-oruzhie-na-nizkoobogashhennom-urane/?page=1 родилась интересная идея.
В свеженьком, прямо из сверхновой, уране содержится порядка 30%(?50%?) U-235. Т.е. в принципе возможно получение оружейного урана в виде так сказать дара небес, в месте падения астероида пришедшего в Солнечную систему из межзвездного пространства. В треде на ФАИ, упомянутом выше, обсуждалось использование 20%, тут будет обсуждаться 30%.
Во-первых, при пушечной сборке нас интересует радиоактивность заряда - она должна быть достаточно маленькой чтобы части успели соединиться в сверхкритическую конфигурацию до начала цепной реакции.
http://www.nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq4-1.html#Nfaq4.1.7.1
Figure 4.1.7.1.1. Uranium Critical Masses for Various Enrichments and Reflectors
total kg/U-235 content kg (density = 18.9)
Enrichment Reflector
(% U-235) None Nat. U Be
30.0 440 /132 190 /57. 130 /39.
20.0 800 /160 370 /74 245 /49.
В литтлбое (64 кило 80%го урана) самопроизвольный распад урана давал один нейтрон(распад?) в 31 мсек, в бомбе с 30%, считая 2.5 крит массы, получаем
- без оболочки, 1100 кг - нейтрон каждые 3 мсек
- урановая, 475 кг - 8 мсек, но сама оболочка добавит еще порядка 12 центнеров и нейтрон каждые 7, т.е. в сумме каждые 4 мсек. Преимущества у этой схемы из-за веса оболочки и частого распада перед схемой без оболочки нет, кроме экономии 30% урана.
- бериллиевая оболочка, 325 кг - нейтрон каждые 12 мсек
Скорость движения снаряда литтлбое была 300 м/с. Для двух снарядов движущихся навстречу со скоростью 450 м/с(такая цифра достижима даже с черным порохом) каждый получаем скорость втрое больше, 700 м/с и 1000 соответственно в 5 и в 7. В общем даже заряд без оболочки и даже с технологиями конца 19 века работать будет, хоть и с несколько меньшей надежностью чем литтбой.
Во-вторых, мощность снизится. Дело в том что обычный 238-ой распадается дольше generation time нашей смеси заметно больше(см. комментарии), а значит меньшая часть в-ва успеет прореагировать до разлета. См. http://moltensalt.org.s3-website-us-east-1.amazonaws.com/references/static/downloads/pdf/ORNL-TM-13517.pdf таблица на странице В-5.
Эффективность атомной бомбы грубо оценивается Serber Efficiency Equation - http://www.nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq4-1.html#Nfaq4.1.1
Оно говорит что эффективность прямо пропорциональна квадрату скорости деления - то есть эффективность упадет в 3.2 ^ 2 = 10 раз и квадрату радиуса массы - а это уже даст бомбе из 30% 2-3х кратное преимущество. Итого эффективность в 3-5 раз хуже. Но эффективность это процент прореагировавшего вещества от общего. А в 30% бомбе в 5-20 раз больше реагирующей массы. Так что энергии при прочих равных выделится больше чем в литтлбое. Бустинг не рассматриваем, так как нас интересует низкотехнологичная бомба.
Показать глупость 30% бомбы при наличии своего обогащения несложно. Берем калькулятор обогащения http://www.wise-uranium.org/nfcue.html Сто тонн урана превратятся в 1.4 тонны 30% за 82 kSWU, или 460 кг 90% за 88 kSWU - разница работы незначительная, 10%. Но из 1.4 тонн 30%-го можно сделать 4 бомбы, а из этих 460 кило 90%-го 15 бомб. Разница в 4 раза. Так что такую бомбу имеет смысл делать только на халявном уране.
P.S.
"My lord," the Ship's Confessor said, "suppose the laws of physics in our universe had been such that the ancient Greeks could invent the equivalent of nuclear weapons from materials just lying around. Imagine the laws of physics had permitted a way to destroy whole countries with no more difficulty than mixing gunpowder. History would have looked quite different, would it not?"
"Three Worlds Collide", Eliezer_Yudkowsky
BUSTED
В недавние годы Муассан повторил старые опыты и применил свой метод получения металла путем восстановления зеленой окиси У. углем в электрической печи. Последний путь оказался наиболее простым: смесь из 500 г U3O8 и 40 г угля впрессовывается в угольный тигель и подвергается действию вольтовой дуги от тока в 800 ампер и 45 вольт в продолжение 7 - 8 минут; в результате около 350 г сплавленного металла, который почти не содержит углерода или даже совершенно свободен от него, но тогда может содержать некоторую примесь окислов У. Освободить У. от углерода удается путем продолжительного нагревания в тигле с набойкою, которая содержит U3O8; этот тигель помещают в другом тигле и, чтобы избежать возникновения азотистого У., засыпают его титанистым материалом.
...
Уран Муассана совершенно не годился для использования в качестве ядерного топлива .
Например в следствие значительного количества примесей .
В реальности было все не так просто и в СССР долго мучились с получением бездефектных отливок металлического урана нужной чистоты .
Для получения урановых отливок нужно иметь высокую чистоту исходных компонентов .
В промышленности получают металлический уран восстановлением очищенного тетра-фторида урана химически чистым магнием или кальцием в трубчатых реакторах-бомбах футерованных изнутри химически чистой окисью кальция или магния .
Получается урановая губка или при при более активном режиме восстановления металл плавится и стекает на дно бомбы .
Черновой металл надо обязательно переплавить .
И вдобавок сам по себе чистый металлический уран и нестоек и хрупок в следствие своеобразного кристаллического строения при низких температурах .
По этой причине уран легируют молибденом .
Черновой металл с добавками молибдена переплавляют под флюсом в графитовых тиглях .
Причем очень жестко нормируется содержание бора , кадмия , лития и редких земель , как в всех исходных компонентах , так и в графитовых тиглях и особенно в футеровке реактора-бомбы .
Уже в очищенном тетра-фториде урана содержание бора, кадмия, лития, редких земель не должно определятся даже спектральным анализом , а это значит ,что в металлическом ядерно-чистом уране содержание этих примесей ( кроме молибдена ) ,не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента.
Прочих примесей не более :0,04-0,12% Al, 0,02-0,04% Fe и 0,03-0,11% С либо 0,01-0,05% Fe и 0,01-0,03% Si;
Если реактор уран-графитовый , то высокие требования по чистоте относятся и к реакторному графиту .
Надо иметь содержание бора не более 1-5ррм .
В реакторном графите бор не должен обнаруживаться спектральным анализом .
Такой графит производится из нефтяного кокса путём его термообработки без доступа кислорода в печах .
Затем мелко размолотый продукт обрабатывается при высокой температуре хлором .
Потом порошок прессуют и спекают .
Графитовый реактор с воздушным охлаждением конвекцией работающий на природном уране должен иметь вид куба с ребром около 6,5 метра и содержать не меньше 75 тонн урановых отливок из ядерно-чистого сплава и 415 тонн ядерно-чистого графита .
...
У Ферми впрочем первым был реактор с металлическим ураном и очищенной эфирной экстракцией окисью урана и этот реактор с огромным трудом смог запуститься .
...
Можно ещё отделить уран от примесей путём многостадийной эфирной экстракции нитрата уранила.
На основе дискуссии http://fai.org.ru/forum/topic/35118-atomnoe-oruzhie-na-nizkoobogashhennom-urane/?page=1 родилась интересная идея.
В свеженьком, прямо из сверхновой, уране содержится порядка 30%(?50%?) U-235. Т.е. в принципе возможно получение оружейного урана в виде так сказать дара небес, в месте падения астероида пришедшего в Солнечную систему из межзвездного пространства. В треде на ФАИ, упомянутом выше, обсуждалось использование 20%, тут будет обсуждаться 30%.
Во-первых, при пушечной сборке нас интересует радиоактивность заряда - она должна быть достаточно маленькой чтобы части успели соединиться в сверхкритическую конфигурацию до начала цепной реакции.
http://www.nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq4-1.html#Nfaq4.1.7.1
Figure 4.1.7.1.1. Uranium Critical Masses for Various Enrichments and Reflectors
total kg/U-235 content kg (density = 18.9)
Enrichment Reflector
(% U-235) None Nat. U Be
30.0 440 /132 190 /57. 130 /39.
20.0 800 /160 370 /74 245 /49.
В литтлбое (64 кило 80%го урана) самопроизвольный распад урана давал один нейтрон(распад?) в 31 мсек, в бомбе с 30%, считая 2.5 крит массы, получаем
- без оболочки, 1100 кг - нейтрон каждые 3 мсек
- урановая, 475 кг - 8 мсек, но сама оболочка добавит еще порядка 12 центнеров и нейтрон каждые 7, т.е. в сумме каждые 4 мсек. Преимущества у этой схемы из-за веса оболочки и частого распада перед схемой без оболочки нет, кроме экономии 30% урана.
- бериллиевая оболочка, 325 кг - нейтрон каждые 12 мсек
Скорость движения снаряда литтлбое была 300 м/с. Для двух снарядов движущихся навстречу со скоростью 450 м/с(такая цифра достижима даже с черным порохом) каждый получаем скорость втрое больше, 700 м/с и 1000 соответственно в 5 и в 7. В общем даже заряд без оболочки и даже с технологиями конца 19 века работать будет, хоть и с несколько меньшей надежностью чем литтбой.
Во-вторых, мощность снизится. Дело в том что обычный 238-ой распадается дольше generation time нашей смеси заметно больше(см. комментарии), а значит меньшая часть в-ва успеет прореагировать до разлета. См. http://moltensalt.org.s3-website-us-east-1.amazonaws.com/references/static/downloads/pdf/ORNL-TM-13517.pdf таблица на странице В-5.
Эффективность атомной бомбы грубо оценивается Serber Efficiency Equation - http://www.nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq4-1.html#Nfaq4.1.1
Оно говорит что эффективность прямо пропорциональна квадрату скорости деления - то есть эффективность упадет в 3.2 ^ 2 = 10 раз и квадрату радиуса массы - а это уже даст бомбе из 30% 2-3х кратное преимущество. Итого эффективность в 3-5 раз хуже. Но эффективность это процент прореагировавшего вещества от общего. А в 30% бомбе в 5-20 раз больше реагирующей массы. Так что энергии при прочих равных выделится больше чем в литтлбое. Бустинг не рассматриваем, так как нас интересует низкотехнологичная бомба.
Показать глупость 30% бомбы при наличии своего обогащения несложно. Берем калькулятор обогащения http://www.wise-uranium.org/nfcue.html Сто тонн урана превратятся в 1.4 тонны 30% за 82 kSWU, или 460 кг 90% за 88 kSWU - разница работы незначительная, 10%. Но из 1.4 тонн 30%-го можно сделать 4 бомбы, а из этих 460 кило 90%-го 15 бомб. Разница в 4 раза. Так что такую бомбу имеет смысл делать только на халявном уране.
P.S.
"My lord," the Ship's Confessor said, "suppose the laws of physics in our universe had been such that the ancient Greeks could invent the equivalent of nuclear weapons from materials just lying around. Imagine the laws of physics had permitted a way to destroy whole countries with no more difficulty than mixing gunpowder. History would have looked quite different, would it not?"
"Three Worlds Collide", Eliezer_Yudkowsky