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

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

T, который в результате реакций D + T– > He42 + n и T + T– > 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».

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 К0A = 12,4 МэВ. В варианте B учитываются также вторичные реакции (H31

T):

D + T– > He42 + n + 17,7 МэВ; (3)

T + T– > He42 + 2n + 11,6 МэВ. (4)

При этом предполагается, что

<v>1 = <v>2 = <v>3 = 2<v>4, (5)

где <v> — среднее значение произведения сечения на относительную скорость сталкивающихся частиц v для реакции (i). В варианте B К0B = 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 1,2 = 42,9 МэВ, в то время как выделение на одну реакцию (3) равно 3 = 117,4 МэВ и на одну реакцию (4) 4 = 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% T несколько более выгодно, но выигрыш в калорийности по сравнению с вариантом B не превосходит 3 раз (в смеси D и T 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 + — идет с периодом полураспада T[дел] = 10 ± 2 года). Радиоактивность трития исключительно велика, время жизни настолько мало, что создание больших запасов T 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

T.

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%.