Ivy Mike
Az Ivy Mike kísérlet volt a világ első fúziós kísérleti robbantása, a Teller megoldás gyakorlati próbája, 1952 november 1-én.
Ivy Mike kísérleti eszköz szerkezete
Két méter átmérőjű és hat méter magas, ólommal bélelt acéltartály felső részén helyezték el az elsődleges implóziós plutónium töltetet.
A tartály alján helyezkedett el a 3 méter magas, és 1 méter átmérőjű másodlagos fúziós töltet tartálya amit 2.8cm vastag természetes ²³⁸U uránból készítettek.
A másodlagos fúziós töltet tartályában 850 liter folyékony halmazállapotúra hűtött (120kg) Deutériumot töltöttek, és a közepén egy 2cm átmérőjű és 3m hosszú plutónium rudat (18kg) helyeztek el (sparkplug).
Az nagy tartályban a elsődleges, és másodlagos töltet által el nem foglalt teret polisztirol habbal töltötték ki (radiation channel).
Teller ötlete szerint, az elsődleges implóziós plutónium töltet robbanása után 1ns-belül keletkező röntgen sugárzás, a nagyobbik tartályt kitöltő polisztirolt plazmává hevíti, ami a másodlagos töltetet tartalmazó ²³⁸U természetes urán tartályt összepréseli.
A megfelelő sűrűség elérése után a másodlagos tartály közepében elhelyezett plutónium rúd szuperkritikussá válik, és hasadási láncreakciója ~4keV hőmérsékleten begyújtja az összepréselt Deutérium fúzióját.
A fúzió során keletkező neutronok további hasadást okoznak a Deutérium tartályát alkotó ²³⁸U természetes urán tartály anyagában, tovább fokozva a robbanás hatóerejét.
Az ISRINEX program által számolt Ivy Mike kísérlet fúziójának időbeli lefutása, különféle Deutérium sűrítési értékeken (χ=100, 200, 300, 500)
Deutérium fúzió égésének hatásfoka látható, az idő függvényében, a Deutérium sűrítésének különféle szintjein, százszoros (χ=100) sűrítéstől, ötszázszoros (χ=500) sűrítésig.
A fúziós töltet hőmérséklete (keV) látható, az idő függvényében.
A görbék ~4keV hőmérséklettől indulnak, ez a másodlagos töltet közepén elhelyezett plutónium rúd (sparkplug - gyújtógyertya) hasadási láncreakciójakor létrejött begyújtási hőmérséklet.
A fenti két ISRINEX görbékből a Deutérium háromszázszoros sűrítéséhez (χ=300) tartozó az, ami a fúzió ~2ns ideje alatt úgy 25%-os hatásfokú fúziót biztosít, így a továbbiakban azzal számolunk.
Ivy Mike kísérlet másodlagos fúziós töltete, háromszázszoros (χ=300) sűrítésen
Számítsuk ki Ivy Mike hatóerejét;
Első hasadási fázis. (0..2ns) Tellernek igaza volt, így az elsődleges implóziós plutónium töltet hatóerejét (~20kt) teljesen figyelmen kívül hagyhatjuk, mivel hatóerejének nagyságrendje a további számításban már csak kerekítési hiba…
Másodlagos töltet, első - hasadási fázis; (2..4ns) a másodlagos töltet begyújtásának pillanatában, a középen lévő 3m hosszú és 0.5cm átérőre préselt plutónium rúd (sparkplug - gyújtógyertya) tizenhatszoros sűrűségen (χ=16) eléri a kritikus tömeget, és 4keV (~45millió fokon) begyújtja a körülötte háromszázszoros (χ=300) sűrűségű Deutérium fúzióját.
A plutónium rúd 98%-os hatásfokkal hasad, a fúziós égés (~20keV) hőmérsékletének közepén, hatóereje így;
18kg · 98% · 17kt/kg =
300kt
Másodlagos töltet, második - fúziós fázis; (2..4ns) Az ISRINEX felső (idő/hatásfok) görbéjéből 25%-os Deutérium fúziós hatásfokot feltételezhetünk 2ns alatt, aminek hatóereje így;
120kg · 25% · 80kt/kg =
2.4Mt
Másodlagos töltet, harmadik - hasadási fázis; (2..4ns) két Deutérium mag fúziója után egy Trícium mag keletkezik, majd annak egy harmadik Deutérium maggal való újabb fúziója után egy extra neutron keletkezik.
D + D −> p + T + (4.0 MeV)
T + D −>
n + 4He + (17.6 MeV)
Feltételezve, hogy ezeknek az extra neutronoknak legalább a harmada maghasadást okoz a Deutériumot körbevevő ²³⁸U természetes urán tartályban, számítsuk ki a fúzió alatt keletkező neutronok számát.
Mivel egy kilotonna…
1 kt = 2.61 × 10²⁵ MeV
… magenergia felszabadulását jelenti, a fent kiszámolt második fázis 2.4Mt fúziója alatt…
2400kt · 2.61 × 10²⁵ MeV = 6.26 x 10²⁸ MeV
… magenergia szabadul fel.
Számítsuk ki a fenti magenergia mennyiségből, hogy mennyi T + D fúziót jelent ez;
6.26 x 10²⁸ MeV / 17.6 MeV = 3.56 × 10²⁷
Mivel minden T + D fúzió alatt keletkezik egy neutron, és ezeknek a neutronoknak feltételezésünk szerint a harmada, a ²³⁸U természetes urán tartály hasadását okozza 180MeV magenergia felszabadulásával, így a harmadik fázisban a hasadási reakcióból…
1/3 · 3.56 x 10²⁷ · 180 MeV = 2.13 x 10²⁹ MeV
…magenergia szabadul fel.
A fent kiszámolt ²³⁸U természetes urán hasadási magenergia hatóereje;
2.13x10²⁹ / 2.61 × 1025 = 8’181 kt =
8.2Mt
Az eddig kiszámolt másodlagos töltet 3 fázisának hatóerejét összeadva…
0.3kt + 2.4Mt + 8.2Mt =
10.9Mt
… teljes hatóerő adódik.
A 3km átmérőjű tűzgömb másfél perc alatt emelkedett 17km magasságba, és csak egy további perc után stabilizálódott 41km magasságban, ahol végül 160km átmérőjű (!!!) gombafelhőt alkotott.
Az Ivy Mike kísérlet, az Enewetak atollban 2km átmérőjű, és 50m mély krátert robbantott
Egy 10Mt hatóerejű fúziós töltet, 12km távolságon belül nagy valószínűséggel mindent elpusztít, és csak az epicentrumtól 40km távolságban biztonságos tartózkodni.
A 82 tonna tömegű Ivy Mike kísérleti eszköz bizonyította Teller Ede igazát a fúzió begyújtásával kapcsolatban, viszont katonai szempontból a folyékonyra halmazállapotúra hűtött Deutérium használhatatlan volt.
Más fúziós anyagot kellett keresni.
A Deutériumhoz legközelebb eső elem a periódusos táblázatban a Lítium.
A Lítium-6 izotóppal alkotott Lítium-Deuterid (LiD) képes fenntartani a Jetter (hasadás – fúzió - hasadás) ciklust;
Egy neutron hasadást okoz a Lítium-6 izotópban, ami egy Trícium atomot, egy Hélium-4 izotópot, és 4.8 MeV magenergia felszabadulását okozza.
n + ⁶Li −> T + ⁴He + (4.8 MeV)
A fent keletkezett Trícium atom, a Lítium-Deuterid (LiD) Deutérium magjával fúzióra lép, aminek a végén egy Hélium-4 izotóp, egy extra neutron, és 17.6 MeV magenergia keletkezik.
T + D −> ⁴He + n + (17.6 MeV)
A második fúzió során keletkezett neutron, újabb Lítium-6 atomot hasíthat fel, és a láncreakció folytatódik…
A természetben bányászható Lítium 92.5%-át a Lítium-7 izotóp teszi ki, és csak 7.4% a Lítium-6 izotóp, aminek elválasztása az izotópok egyetlen atomszámbeli különbsége miatt, persze nem triviális…