Из отчета № 3 В.Л. Гинзбурга «1. Использование Li6D в "слойке"»

Из отчета № 3 В.Л. Гинзбурга

«1. Использование Li⁶D в "слойке".

2. Влияние взаимодействия между ядрами урана в "слойке"» [1]

3 марта 1949 г. [2]

Сов. секретно

(Особая папка)

Экз. № 1

Указывается на преимущества, связанные с использованием в «слойке» в качестве дейтеросодержащего вещества Li⁶D. При этом в результате реакции Li⁶₃ + n¹₀ → He⁴₂ + H³₁ возникает тритий H³₁ = Ŧ, который в результате реакций D + Ŧ → He⁴₂ + n и Ŧ + Ŧ → He⁴₂ + 2n дает нейтроны, делящие уран.

В результате использования Li⁶₃D калорийность «слойки» повышается в 2,9 раза по сравнению со случаем, когда используется D₂O.

В отчете обсуждается вопрос об использовании Li⁶, а также некоторые другие вопросы, связанные с работой «слойки».

Введение

С точки зрения проблемы инициирования взрыва в «слойке», а также в связи со стремлением увеличить эффект взрыва очень важное значение имеет калорийность «слойки». Под калорийностью при этом, естественно, принимается энергия, выделяющаяся при сгорании всего дейтерия (мы будем пользоваться далее величиной К₀ — калорийностью в МэВ, рассчитанной на одно ядро дейтерия). А.Д. Сахаров в С2 [3] вычислил калорийность «слойки» в вариантах A и B. В варианте A учитываются лишь первичные реакции

D + D → He⁴₃ + n + 3,98 МэВ;          (1)

D + D → H³₁ + p + 3,3 МэВ,          (2)

а также последующее деление урана нейтронами и прилипание нейтронов к ядрам. При этом К_0A = 12,4 МэВ. В варианте B учитываются также вторичные реакции (H³₁ = Ŧ):

D + Ŧ → He⁴₂ + n + 17,7 МэВ;          (3)

Ŧ + Ŧ → He⁴₂ + 2n + 11,6 МэВ.          (4)

При этом предполагается, что

<σv>₁ = <σv>₂ = <σv>₃ = 2<σv>₄,          (5)

где <σv> — среднее значение произведения сечения σ на относительную скорость сталкивающихся частиц v для реакции (i). В варианте B К_0B = 22,5 МэВ.

Предварительные расчеты А.Д. Сахарова показали, что минимальное количество плутония или U²³⁵, необходимое для инициирования детонации «слойки», сильно зависит от калорийности «слойки» K₀ и при некоторых предположениях пропорционально 1/K₀³. В этой связи, как уже было указано, приобретает большой интерес изыскание всяких возможностей максимально повысить калорийность «слойки».

Большой вклад вторичных реакций (3)—(4) в калорийность «слойки» связан с тем, что быстрые нейтроны, образующиеся при этих реакциях, эффективно делят ядра урана. Достаточно сказать, что суммарное энерговыделение на одну реакцию (1) в сумме с одной реакцией (2) равно ε_1,2 = 42,9 МэВ, в то время как выделение на одну реакцию (3) равно ε₃ = 117,4 МэВ и на одну реакцию (4) ε₄ = 93,2 МэВ (см. (2)). Отсюда ясно, что, повышая удельный вес реакций (3)—(4), можно существенно повысить калорийность «слойки». Самый простой, в принципе, метод повышения роли реакций (3)—(4) состоит в замене части дейтерия в «слойке» тритием. Если, например, полностью заменить дейтерий тритием и использовать, таким образом, лишь реакцию (4), то K₀ = 48 МэВ, т.е. калорийность возрастает примерно в 2 раза по сравнению с вариантом B. Использование смеси 50% D + 50% Ŧ несколько более выгодно, но выигрыш в калорийности по сравнению с вариантом B не превосходит 3 раз (в смеси D и Ŧ калорийность разумно относить на одно ядро смеси дейтерия и трития). Повышение калорийности в 2—3 раза уже весьма существенно, но использование трития в «слойке» весьма затруднительно ввиду его радиоактивности (реакция H³₁ → He³₂ + β^— идет с периодом полураспада Ŧ_[дел] = 10 ± 2 года). Радиоактивность трития исключительно велика, время жизни настолько мало, что создание больших запасов Ŧ затруднительно и, наконец, получение трития также весьма сложно и дорого.

Можно, однако, добиться такого же повышения калорийности «слойки», как при замене всего или части дейтерия тритием, используя в качестве дейтеросодержащего вещества Li⁶D вместо D₂O или дейтероэтана. Дело в том, что Li⁶₃ энергично захватывает нейтроны в результате реакции

Li⁶₃ + n → He⁴₂ + H³₁ + 4,97 МэВ,          (6)

при которой образуется тритий H³₁ = Ŧ.

Таким образом, в «слойке» из Li⁶DU²³⁸ первичными являются реакции (1)—(2), при которых образуются нейтрон и тритий. Нейтроны делят U²³⁸ или в результате реакции (6) опять дают тритий. Тритий в результате реакций (3)—(4) дает нейтроны, делящие уран и дающие тритий же по реакции (6), и т.д. Вычисление калорийности «слойки» Li⁶DU приводит, как показано в § 1, к значению K₀ = 65,3 МэВ, т.е. получается выигрыш по сравнению с вариантом B в 2,9 раза. Изотоп Li⁶ содержится в природном литии в количестве 7,5% (остальное составляет Li⁷). Получение чистого или сильно обогащенного Li⁶ является задачей сравнительно нетрудной (содержание Li⁶ в Li в 10 раз выше содержания U²³⁵ в U²³⁸, и в то же время относительная разность атомных весов изотопов лития равна ~1/7, а изотопов урана равна ~1/80).

Кроме реакции (6), известна также еще одна экзотермическая реакция такого тока:

B¹⁰₅ + n → 2He⁴₂ + H³₁ + 0,288 МэВ.          (7)

Однако с этой реакцией конкурирует известная реакция B¹⁰₅ + n → Li⁷₃ + He⁴₂ + 2,8 МэВ, идущая, по-видимому, с гораздо большим сечением, чем реакция (7) (сечение для (7) нам обнаружить в литературе не удалось; приведенные значения теплоты реакции вычислены из значений масс ядер по таблице, помещенной в книге К. Гудмена «Научные основы ядерной энергетики»). Наличие более вероятной конкурирующей реакции делает применение бора вместо лития невыгодным, несмотря на то что изотоп B¹⁰ содержится в природном боре в количестве 18,4%.